La biologia sintetica è un nuovo campo della scienza che riunisce ingegneri, fisici, biologi molecolari e chimici per utilizzare i principi dell'ingegneria per connettere componenti biomolecolari: geni, proteine e altri componenti in nuove strutture e reti. Si prevede che queste strutture aggiornate verranno utilizzate per riprogrammare gli organismi viventi, conferendo loro nuove proprietà necessarie per risolvere problemi nel campo della salute, della sicurezza energetica, della produzione alimentare e dello sviluppo ambientale. Questo ramo interdisciplinare della scienza è emerso a causa dell’interesse per il genoma umano. A metà degli anni '90. Il Progetto Genoma Umano ha iniziato a pubblicare dati su parti del genoma di vari organismi. I più importanti scienziati del settore sono giunti alla conclusione che la prossima sfida sarà determinare come queste parti del genoma funzionano, interagiscono tra loro e si assemblano in reti e percorsi. Ciò potrebbe fornire informazioni su come questi percorsi determinano processi biologici e malattie.
Il problema principale di questa ricerca era la mancanza dei dati necessari e delle tecnologie adeguate per il cosiddetto reverse engineering e la riproduzione della struttura delle reti naturali. Nonostante ciò, molti ingegneri, incluso me e i miei colleghi di laboratorio, erano estremamente interessati a lavorare nel campo della genomica e della biologia molecolare. Ma invece di sviluppare metodi per il reverse engineering e riprodurre la struttura delle reti naturali, abbiamo pensato alla solita maniera degli ingegneri, vale a dire: potremmo costruire noi stessi qualcosa combinando strutture che, in questo caso, erano “bagnate” anziché “bagnate”? quelli? secco" nel senso che si usa in elettrotecnica. Insieme a Tim Gardner, uno dei miei studenti all’epoca, abbiamo fondato un nuovo campo introducendo questo approccio. Quindi ci siamo seduti e ci siamo chiesti se potessimo creare un circuito ingegneristico, modellarlo matematicamente per capire come funzionerebbe, e poi trovare particelle che sarebbero l'equivalente biologico dei componenti del circuito elettronico. Successivamente, utilizzando metodi di biologia molecolare per assemblare le particelle in un unico insieme in plasmidi o DNA, introdurle in una cellula e vedere se questo progetto funzionerà come dovrebbe.
Tim e io abbiamo sviluppato approcci diversi e messo insieme diversi circuiti nel corso di 9 mesi, quindi abbiamo deciso di concentrarci sull'interruttore a levetta. Questa idea è stata motivata dal lavoro nell'ingegneria elettronica che coinvolge interruttori a levetta o interruttori a levetta. Un interruttore a levetta nell'ingegneria elettronica è una forma di memoria, un circuito molto semplice che ha due posizioni: 0 e 1, o stati on-off, commutati da un impulso, come un impulso elettrico o un impulso luminoso. I gadget che utilizziamo costantemente: iPhone, iPad, personal computer, sono costituiti da milioni, se non miliardi, di tali interruttori a levetta. Tim e io ci chiedevamo: come possiamo realizzare un disegno simile in una cellula, in un batterio? Lo schema finale che abbiamo ideato era estremamente semplice. Avevamo 2 geni interconnessi, organizzati in modo tale che entrambi tendessero ad essere “accesi”. Il loro comportamento è stato determinato dai cosiddetti promotori costitutivi, che fungono da interruttori per i geni e sono sezioni del DNA. Li abbiamo organizzati in una catena, la proteina prodotta per la proteina A tende a legarsi all'interruttore a levetta della proteina B, spegnendola. La proteina prodotta dal gene B tende a legarsi all'interruttore del gene A, spegnendolo. Pertanto, tutti vogliono essere accesi e cercano di spegnere il secondo. Il risultato è una rete che si inibisce a vicenda.
In linea di principio, è possibile configurare questo circuito in modo che tenda ad esistere in uno dei due stati stabili: lo stato A (il gene A è attivo, il gene B è disattivato) o lo stato B (il gene B è attivo, il gene A è disattivato). È anche possibile modificare lo stato fornendo uno stimolo chimico o un cambiamento ambientale che spenga il gene attivo. Diciamo che la catena è nello stato A. Se potessi introdurre una sostanza chimica che inattivi temporaneamente il gene A o la sua proteina, e garantire che la sostanza chimica rimanga lì abbastanza a lungo, il gene B, che tende ad essere attivato, ma è tenuto spento da attività del gene A, sarà in grado di produrre la sua proteina e, quando la sua concentrazione diventerà sufficientemente alta, spegnerà il gene A e potrai rimuovere dal sistema la sostanza chimica che ha disattivato il gene A. In questo modo, puoi cambiare la posizione della catena dallo stato A allo stato B e così via. Questo è il principio base di funzionamento.
Tim e io abbiamo iniziato a lavorare nel 1999 con la modellizzazione matematica del processo, che ci ha permesso di parlare delle sue potenziali prestazioni. Poi Charles Cantor, il nostro collega dell'Università di Boston, un bioingegnere, si è fatto coinvolgere e ci ha permesso di lavorare nel suo laboratorio. Tim a quel tempo capiva abbastanza di biologia molecolare e di ingegneria genetica da creare il batterio E. coli. Ha creato diversi batteri simili, uno che ha risposto all'esposizione a due diverse sostanze chimiche e un altro alla risposta all'esposizione a una sostanza chimica e allo shock termico. Tim era un bioingegnere così talentuoso che in 9 mesi fu in grado di attivare un comportamento simile a un interruttore in uno stato quasi stabile all'interno di E. coli. Parallelamente al nostro lavoro, Mike Elowitz e Stan Liebler stavano lavorando allo stesso problema, creando un circuito oscillatore repressivo con tre geni: il gene A ha cercato di disattivare il gene B, il gene B ha cercato di disattivare il gene C e il gene C ha provato a disattivare il gene B. per spegnere il gene A. In linea di principio, questo è un oscillatore ad anello, che dovrebbe avere un circuito lampeggiante. Mike e Stan hanno anche costruito il loro circuito all'interno del batterio E. Coli. Il lavoro è stato pubblicato nel gennaio 2000 sulla rivista Nature e ha segnato l'inizio dello sviluppo del campo della biologia sintetica.
Ora è possibile immaginare che sia possibile creare un circuito che fornisca memoria a una cellula, e questo ha ispirato gli studiosi nel campo della bioprogrammazione. Hanno suggerito che potrebbe essere possibile programmare una cellula, proprio come un circuito. E anche se c’è stato un enorme interesse per la bioprogrammazione, sarebbe sbagliato pensare che questo lavoro sostituisca i circuiti elettronici dei nostri computer. È più corretto pensare alla programmazione cellulare come alla capacità di assegnare varie funzioni e compiti alle cellule. E questo è il tema principale della biologia sintetica. Ad esempio, stiamo utilizzando interruttori a levetta per creare biosensori di cellule intere che potrebbero programmare gli organismi per rilevare la presenza di metalli pesanti come piombo o sostanze chimiche pericolose come sostanze chimiche dannose per il DNA o agenti patogeni. Sarebbe possibile rilasciare questi organismi nell'ambiente o immetterli nel corpo di qualcuno, oppure usarli per controllare le merci importate per vedere se c'è piombo nella vernice di un giocattolo importato; C'è un'epidemia di antrace nel palazzo del governo? La bellezza degli interruttori a levetta è che puoi richiamare ricordi, archiviare informazioni sugli eventi per verificare se eventi simili sono accaduti prima.
Abbiamo anche già utilizzato interruttori simili basati sull’RNA, che ci consentono di accendere e spegnere dinamicamente più geni all’interno di una cellula per riorganizzare il processo metabolico. Ora stiamo lavorando anche con diverse aziende biotecnologiche per determinare come possiamo mettere in pratica le nostre scoperte e migliorare l’efficienza dell’utilizzo degli organismi creati. Ad esempio, convertire la biomassa in risorse energetiche, carburante, tra cui, possibilmente, diesel, etanolo e butanolo.
È anche molto interessante il modo in cui possiamo utilizzare i metodi della biologia sintetica e programmare gli organismi per risolvere problemi nel campo della sanità. Ad esempio, abbiamo creato un batteriofago che combatterà i biofilm batterici. I biofilm sono colonie di batteri attaccati ad una superficie. Questa è placca sui denti, placca sulle conchiglie, placca sulle parti sottomarine delle navi. Il nostro interesse è combattere i biofilm, poiché i batteri all’interno di tali colonie sono molte volte più resistenti agli antibiotici rispetto ai singoli batteri. Quando vengono eseguite operazioni per trapiantare organi artificiali: inserti ossei, valvole cardiache, stimolatori cerebrali, ecc. Il rischio principale non è l'operazione in sé, ma il potenziale di infezione da biofilm. Abbiamo accettato questa sfida e abbiamo deciso di provare a risolvere il problema utilizzando i batteriofagi. I batteriofagi sono virus che attaccano esclusivamente i batteri; noi li creiamo per introdurli nei batteri o nelle colonie batteriche. Attraverseranno una fase litica, creando numerose copie di se stessi, avviando processi che portano alla rottura dell'integrità della cellula, e poi milioni di duplicati daranno la caccia ad altri batteri. La difficoltà principale è che non è possibile penetrare sotto lo strato principale del biofilm, quindi creiamo batteriofagi che possono gradualmente distruggere gli strati di biofilm, portando sempre più batteri in superficie. In questo modo siamo riusciti a rendere la procedura per combattere i biofilm più efficace del 99,99% rispetto ai metodi esistenti sia su impianti artificiali che in strutture industriali.
Il mio studente Tim Lu, che ha condotto la ricerca, insieme a un altro studente Mike Karras, voleva trovare applicazioni commerciali per questi sviluppi, iniziando dal campo dell’assistenza sanitaria. Ma poi si sono interessati all'utilizzo della tecnologia in campo industriale. Dopotutto, tali biofilm compaiono su tutti i meccanismi esposti all'umidità per lungo tempo. I biofilm compaiono sui sistemi di condizionamento dell’aria, sulle condutture e nelle cartiere. Tim e Mike hanno iniziato a creare batteriofagi per combattere i biofilm negli impianti industriali. Ma in questo settore sono sorte difficoltà e il focus della loro ricerca si è spostato sulla ricerca e sul riconoscimento degli agenti patogeni negli ospedali e nella produzione alimentare. L'obiettivo che hanno quasi raggiunto è che per tale lavoro è necessario creare solo 10 batteri in un periodo di meno di un'ora, spendendo meno di 10 dollari per la procedura.
Non vogliamo fermarci qui e stiamo cercando altri modi per utilizzare le nostre tecnologie per combattere le malattie infettive. Ora, con il sostegno finanziario della Fondazione Gates, stiamo creando probiotici che riconoscono e combattono una varietà di infezioni. Ad esempio, stiamo sviluppando i lattobacilli per combattere il colera infettivo. Li abbiamo progettati per rispondere a due diversi segnali provenienti dall'agente patogeno del colera e produrre peptidi antimicrobici specifici del colera. La bellezza di questa soluzione è che i farmaci per il colera sono molto costosi e possono essere piuttosto tossici. Ora, in sostanza, possiamo aggiungere il nostro organismo anti-colera allo yogurt per contrastare un’ondata di colera come quella avvenuta ad Haiti dopo il terremoto, oppure possiamo confezionare questo organismo in una pillola. Entrambi i metodi sarebbero molto più economici e meno tossici rispetto allo sviluppo di un farmaco. L'unico gruppo di persone che sperimenterà gli effetti di questo medicinale saranno coloro che sono stati esposti ai batteri del colera.
Credo che nei prossimi decenni vedremo la biologia sintetica cambiare le nostre vite in una varietà di settori: energia o produzione alimentare, assistenza sanitaria o anche risoluzione di problemi ambientali. Una delle domande scientifiche più intriganti è come vengono creati i circuiti naturali e come funzionano i processi naturali. Possiamo imparare molto dagli organismi naturali che si sono evoluti nel corso di milioni, e in alcuni casi miliardi, di anni, creando circuiti e reti funzionanti e svolgendo compiti piuttosto complessi, a volte in ambienti molto ostili. E credo che la biologia sintetica, anche se mi concentro principalmente sulle applicazioni primarie, possa essere molto utile nel campo delle scienze di base, permettendoci di capire come funzionano gli organismi in generale
Il bioingegnere James Collins sulla programmazione di cellule viventi, biofilm e creazione di probiotici:
Per diecimila anni, le persone hanno coltivato e manipolato le piante per ottenere cibo. Tutto è iniziato con una cosa semplice: salvare e selezionare i semi a crescita più rapida con il rendimento più elevato, contenenti la maggior quantità di sostanze nutritive, ecc. Questa forma di selezione tradizionale portò infine allo sviluppo di colture ibride, create incrociando due linee geneticamente diverse dello stesso genere e solitamente della stessa specie. Questi cambiamenti nelle piante erano limitato dai geni già presente nelle piante.
Tutto è cambiato radicalmente con l’avvento dell’ingegneria genetica negli anni ’70 e ’80. rese possibile il trasferimento di geni tra specie, anche tra specie di regni diversi, e quando i singoli geni furono inseriti nelle piante con l'aiuto di batteri, apparvero per la prima volta i brevetti sulla vita. Da allora, gli organismi geneticamente modificati, spesso chiamati organismi geneticamente modificati (), sono diventati una caratteristica onnipresente dell’agricoltura industriale negli Stati Uniti e rappresentano circa l’88% del mais, il 94% della soia, il 90% della colza, il 90% del cotone e il 95% delle barbabietole da zucchero coltivate nel paese. Queste colture sono state sviluppate e brevettate da aziende chimiche tra cui Monsanto E Bayer, i loro raccolti sono in grado di resistere a dosi elevate di erbicidi o di creare i propri insetticidi.
Biologia sintetica: ingegneria genetica estrema
Nel secondo decennio del 21° secolo, probabilmente assisteremo a cambiamenti ancora più radicali, questa volta grazie al campo in rapida crescita noto come biologia sintetica. Biologia sinteticaè un termine ampio usato per descrivere una simbiosi di nuove biotecnologie che vanno oltre i confini di ciò che può essere ottenuto attraverso l’ingegneria genetica “convenzionale”. Invece di spostare uno o due geni tra organismi diversi, la biologia sintetica consente di riscrivere il codice genetico su un computer, lavorando con centinaia o migliaia di sequenze di DNA alla volta, e tenta persino di riprogettare interi sistemi biologici. Metodi di biologia sintetica, ambito e utilizzo di sequenze genetiche nuove e sintetiche rendendolo una forma molto estrema di ingegneria genetica.
La biologia sintetica è un settore nascente ma in rapida crescita, con un fatturato annuo che oggi supera 1,6 miliardi di dollari e che si prevede crescerà fino a 10,8 miliardi di dollari entro il 2016. Molte delle più grandi società energetiche, chimiche, forestali, farmaceutiche, alimentari e agroindustriali stanno investendo in tecnologie sintetiche. biologia, creando joint venture, e alcuni di questi prodotti hanno già raggiunto l’industria cosmetica, alimentare e medica, altri sono in linea. Concentrano gran parte della loro attenzione sull'agricoltura per creare la prossima ondata di OGM, chiamiamoli così organismi sinteticamente modificati (SMO).
Organismi sinteticamente modificati
Il colosso biotecnologico e chimico Monsanto ha recentemente annunciato una joint venture con l’azienda Energia Zaffiro, un'azienda produttrice di alghe biologiche sintetiche. La Monsanto è interessata alle alghe perché la maggior parte dei tipi di alghe può essere prodotta quotidianamente, rispetto alle colture agricole tradizionali che crescono solo una o due volte l’anno. La Monsanto spera di isolare le caratteristiche delle alghe, ma a un ritmo molto più rapido di quanto si possa fare con le piante, e poi di incorporarle nelle colture. Tali tecnologie consentiranno di aumentare il numero potenziale (e più estremo) di colture geneticamente modificate nei nostri campi.
Craig Venter, uno dei principali biologi sintetici che ha creato il primo sintetico (nel 2010) dal genoma di un agente patogeno caprino abbastanza semplice, ha creato una nuova azienda Agradis, per concentrarsi sull'applicazione della biologia sintetica in agricoltura. Le attività di Agradis mirano a creare colture "più elevate" e metodi migliorati di crescita delle colture e protezione delle piante. L'azienda prevede di creare semi di ricino ad alto rendimento e sorgo dolce produrre biocarburanti attraverso “tecnologie genomiche” segrete.
Esistono addirittura piani per “migliorare” la fotosintesi nelle piante utilizzando la biologia sintetica. I ricercatori del Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili ( Inglese Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili) in Colorado ritengono che l'efficienza della fotosintesi possa essere migliorata riorganizzando la struttura delle piante utilizzando la moderna biologia sintetica e la manipolazione genetica. Usando la biologia sintetica, questi ingegneri sperano di costruire piante da zero, iniziando con una catena di amminoacidi, espandendo le capacità della pianta, il che significa che le piante saranno in grado di convertire una gamma più ampia di luce in energia rispetto alla fotosintesi esistente.
Altre applicazioni della biologia sintetica in agricoltura includono aromi alimentari, condimenti, olio di cocco, additivi per mangimi e persino animali geneticamente modificati con geni sintetici. Gli aromi alimentari possono sembrare sicuri, ma in realtà comportano una nuova serie di rischi: rischi economici per gli agricoltori. Questo mercato naturale ha un valore di 65 miliardi di dollari all’anno e attualmente alimenta i piccoli agricoltori, soprattutto nei paesi dell’emisfero meridionale. La sostituzione della produzione naturale di questi prodotti con la biologia sintetica nelle biotecnologie statunitensi ed europee porterà a gravi conseguenze socioeconomiche e persino alla povertà tra i piccoli agricoltori.
I pericoli della biologia sintetica
Sebbene alcuni di questi sviluppi sembrino promettenti, la biologia sintetica presenta anche un lato oscuro. Se gli OCM vengono rilasciati nell'ambiente, intenzionalmente (ad esempio come colture) o involontariamente (da un laboratorio), possono causare impatti gravi e irreversibili sugli ecosistemi. Gli organismi sintetici potrebbero diventare i nostri prossimi organismi invasivi, trovando una nicchia ecologica, spostando le popolazioni selvatiche e distruggendo interi ecosistemi. Le OCM porteranno alla contaminazione genetica, come di solito accade con gli OGM, e creeranno inquinamento genetico sintetico, che non può essere pulito o distrutto. L'utilizzo di geni sintetizzati su un computer invece di quelli originariamente esistenti in natura solleverà anche la questione della sicurezza umana e la possibilità che i CMO possano diventare una nuova fonte di allergeni e tossine alimentari.
La biologia sintetica creerà sequenze di DNA e geni più pericolose che non sono mai state trovate in natura. La nostra capacità di sintetizzare nuovi geni è molto più avanti della nostra comprensione di come questi geni e i sistemi biologici in cui sono incorporati funzioneranno correttamente e non sconvolgeranno l’equilibrio esistente in natura. È già difficile valutare la sicurezza di un singolo organismo geneticamente modificato e la biologia sintetica lo porterà a un livello estremamente elevato e pericoloso. Ad oggi non esiste nemmeno un singolo tentativo scientifico valutando attentamente il rischio posto all’ambiente e alla salute umana da qualsiasi organismo sintetico, che può avere decine o centinaia di sequenze genetiche completamente nuove.
La biotecnologia è già in gran parte non regolamentata negli Stati Uniti e in diversi paesi del mondo che sono i principali produttori di OGM, e le OCM non faranno altro che espandere i confini di questo sistema obsoleto di regolamentazione governativa. Ad esempio, l’USDA controlla gli OGM attraverso leggi sui parassiti delle piante perché la maggior parte di essi sono prodotti da virus vegetali. La biologia sintetica apre la possibilità di OCM che saranno ottenuti senza virus vegetali, cioè diventeranno queste colture completamente incontrollabile USDA o altri dipartimenti.
I nostri modelli di valutazione del rischio biotecnologico diventeranno rapidamente obsoleti. La sicurezza degli OGM viene solitamente determinata in base al principio della “sostanziale equivalenza” rispetto alla sua controparte naturale. Questa idea di "equivalenza essenziale" crollerà rapidamente con la comparsa nell'ambiente di CMO che conterranno geni che non sono mai esistiti in natura prima, e il loro genitore è un computer.
La fine dell’agricoltura industriale
La biologia sintetica può offrirci qualche promessa, ma è un percorso pericoloso da seguire se non sappiamo dove porta. Negli ultimi decenni, la biotecnologia agricola ha creato una serie di problemi, molti dei quali saranno esacerbati dalla biologia sintetica, tra cui: inquinamento genetico, super-infestanti, crescente dipendenza da prodotti chimici industriali sempre più tossici, vaste aree di monocolture insostenibili, proprietà intellettuale battaglie e contenziosi sugli agricoltori, ulteriore concentrazione del controllo aziendale sul cibo.
Non devi andare lontano, perché "L'agricoltura come la conosciamo scomparirà", dice Craig Venter sulle prospettive della biologia sintetica in agricoltura. Dobbiamo creare un’agricoltura industriale senza sostanze chimiche tossiche e riorientare la nostra energia su sistemi agricoli come questo agroecologia E coltivazione biologica. Ad esempio, un recente studio dell’USDA ha rilevato che cambiamenti agricoli semplici e sostenibili, come la rotazione delle colture, producono rendimenti elevati, riducono significativamente la necessità di fertilizzanti azotati ed erbicidi e riducono le tossine nelle acque sotterranee, senza avere alcun effetto dannoso sui profitti degli agricoltori. Tali sistemi hanno dimostrato di essere altrettanto, se non di più, produttivi dei sistemi agricoli industriali, ma sono chiaramente benefici per il nostro pianeta e per il clima e ci forniscono cibo più sano e nutriente e non si basa su tecnologie pericolose, costose e non testate.
Divieto di rilascio nell'ambiente e di utilizzo commerciale della biologia di sintesi necessario garantire la capacità di valutarne i rischi ed essere in grado di controllarli al fine di tutelare la salute umana e l’ambiente.
3. Questioni etiche
La biologia sintetica è un termine utilizzato da tempo per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita.
Recentemente, il termine è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che unisce scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici.
La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Sviluppato da una piccola galassia di scienziati. Gli obiettivi principali sono:
- Impara di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole e non smontandola, come veniva fatto prima.
- Rendere l'ingegneria genetica degna di questo nome: trasformarla da un'arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
- Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.
Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato; Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione. Ciò consentirà di progettare sistemi viventi che si comportino in modi prevedibili e utilizzino parti intercambiabili di un insieme standard di geni. Gli scienziati stanno cercando di creare una vasta banca genetica che consenta loro di creare qualsiasi organismo desiderato. La banca è costituita da biobricks: frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per sintetizzare una proteina precedentemente nota. Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:
- meccanici in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica;
- software in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.
Ora il Massachusetts Institute of Technology ha creato e sistematizzato più di 140 biobricks. La difficoltà sta nel fatto che molti frammenti di DNA ingegnerizzato, una volta introdotti nel codice genetico della cellula ricevente, lo distruggono.
La biologia sintetica è in grado di creare batteri ingegnerizzati in grado di produrre farmaci complessi e rari a basso costo e in quantità industriali. I genomi ingegnerizzati potrebbero portare a fonti energetiche alternative o batteri che aiutano a rimuovere l’anidride carbonica in eccesso dall’atmosfera.
"Lo sviluppo della tecnologia porta a
che la differenza tra naturale e
artificiale, tra il corpo e
il meccanismo si avvierà gradualmente
sfocatura. La persona lo farà
ricostruire i primi in alcun modo
e far crescere parzialmente il secondo;
il confine tra loro diventerà
condizionato fino all’impossibile
scoprire l'origine dell'oggetto"
"Nel 2010, un ingegnere americano
e il biologo Craig Venter
con il gruppo ha sintetizzato la prima cellula con
genoma artificiale assemblato
su un supercomputer"
"Nel 1975, i più importanti biologi del mondo accettarono
decisione di vietarne l'uso
tecnologia del DNA ricombinante, e poi
regole sviluppate per lavorare con loro"
""La sintesi chimica della vita è uno dei compiti
sempre di fronte al sintetico
chimica organica", Craig Venter.
"Venter si muove verso il ruolo di Dio: crea
vita artificiale che mai
non sarebbe sorto in condizioni naturali"
"La biologia sintetica è un software
vita errante. Le cellule vivono
computer e il DNA è un linguaggio di programmazione"
Andrea Hessel
La biologia sintetica (Synbio) è un campo teorico della biologia e della pratica in rapido sviluppo, una nuova direzione nell'ingegneria genetica. Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato. Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione.
Il termine biologia sintetica è stato coniato nel 1980. È stato utilizzato da Barbara Hobom per descrivere i batteri che erano stati geneticamente modificati utilizzando il DNA ricombinante. Il termine è stato coniato nuovamente nel 2000 da Eric Kohl e numerosi altri relatori durante il convegno dell'American Chemical Society, che si tiene ogni anno a San Francisco.
La biologia sintetica è iniziata con il lavoro di Steven Benner e Peter Schultz. Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due. Da allora sono state ottenute diverse varianti di DNA simile, ma finora nessuno è riuscito a ottenere il funzionamento dei propri geni, cioè la trascrizione e la traduzione (sintesi proteica).
DEFINIZIONE
Ce ne sono molti. Eccone alcuni:
* La biologia sintetica si occupa della progettazione o ricostruzione di sistemi biologici o dei loro componenti e della loro creazione codificando il DNA del sistema o componente desiderato. La biologia sintetica fornisce tecnologie efficienti per riprodurre organismi naturali e creare materiale biologico “sintetico” che non esiste in natura.
* La biologia sintetica è una nuova direzione dell'ingegneria genetica. Il termine BIOLOGIA SINTETICA è stato a lungo utilizzato per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita. Recentemente, il termine “biologia sintetica” è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).
* Progettazione e realizzazione di dispositivi biologici e sistemi biologici per scopi utili.
* La biologia sintetica è un campo biologico emergente di ricerca che unisce scienza e tecnologia. Copre una gamma di approcci, metodologie e discipline diversi e diverse definizioni. Ciò che hanno in comune, tuttavia, è il fatto che stanno guardando alla biologia sintetica per nuove funzioni biologiche e sistemi di progettazione e costruzione che non si trovano in natura.
*Un campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura). La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica.
* La biologia sintetica rappresenta la convergenza dei progressi della chimica, della biologia, dell'informatica e dell'ingegneria. Gli esperti in questi campi stanno lavorando insieme per creare metodi riutilizzabili e sistematici per aumentare la velocità, la scalabilità e la precisione nell'ingegneria dei sistemi biologici. In un certo senso, la biologia sintetica può essere vista come un’evoluzione della biologia attraverso un “kit di strumenti” che consente di migliorare i prodotti in molti settori, tra cui la medicina, l’energia e l’ambiente.
* La biologia sintetica è l'ultima direzione della tecnologia industriale all'intersezione tra informatica, elettronica, chimica e biologia, che combina aree avanzate di ricerca allo scopo di progettare, sintetizzare e costruire nuove, comprese quelle inesistenti in natura, funzioni biologiche e sistemi viventi. La moderna biologia sintetica (dei sistemi) è un kit di strumenti ingegneristici per la progettazione di sistemi viventi funzionali e controllabili con proprietà specifiche: energetici, industriali e produttivi in natura.
* Synbio si occupa di cose come l'inserimento di sequenze di DNA generate dalla macchina in cellule viventi, cioè la creazione di nuovi organismi.
OBIETTIVI DELLA BIOLOGIA SINTETICA
Gli obiettivi principali sono i seguenti:
*Imparare di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole, invece di smontarla, come si faceva prima.
*Rendere l'ingegneria genetica degna di questo nome significa trasformarla da arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
*Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.
* Creare una vasta banca genetica che ti permetta di creare qualsiasi organismo desiderato (per analogia con la creazione di un circuito elettronico da transistor e diodi industriali). La banca è composta da biobricks (BioBrick) - frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per la sintesi di una proteina precedentemente nota. Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:
meccanico - in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica; software - in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.
* Le colonie di batteri saranno in grado di sintetizzare innumerevoli quantità di cibo, medicinali e sostanze necessarie. In questo caso i costi saranno minimi, la persona sarà ben nutrita, sana e non sarà necessario nient'altro.
* Sintetizza organismi viventi che produrranno grandi quantità di carburante. In una situazione del genere, non ci sarà bisogno di estrarre petrolio e gas naturali.
*L'obiettivo immediato dei pionieri di questa branca della scienza è creare un organismo con un genoma minimo, cioè capace di mangiare, crescere e riprodursi.
* Lo scopo della biologia sintetica è la creazione razionale di organismi biologici con le proprietà desiderate. Questo, ovviamente, è molto simile all'ingegneria genetica, che si è sviluppata attivamente dagli anni '70 del secolo scorso. Ma la biologia sintetica si basa su un livello più elevato di comprensione delle entità biologiche, acquisito attraverso lo sviluppo della cosiddetta biologia dei “sistemi”.
SFIDE DELLA BIOLOGIA SINTETICA
* Lo studio degli organismi attraverso la loro creazione, piuttosto che attraverso la loro scomposizione in parti.
* Lo sviluppo dell'ingegneria genetica stessa affinché sia all'altezza del suo nome e diventi una disciplina capace di sviluppare e creare costantemente sistemi biologici sempre più complessi.
* Ampliare i confini dei mondi viventi e non viventi in modo che, come risultato della loro intersezione, appaiano esseri viventi programmabili.
RISULTATI DELLA BIOLOGIA SINTETICA
* Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due.
* Nel 2010, l'ingegnere e biologo americano Craig Venter ha sintetizzato la prima cellula con un genoma artificiale assemblato su un supercomputer.
* Nel maggio 2010, il famoso genetista americano John Craig Venter ha annunciato la creazione della prima cellula vivente parzialmente sintetica al mondo in grado di riprodursi (lievito, nel cui genoma uno dei cromosomi è sostituito da un analogo completamente sintetizzato in laboratorio).
* In compagnia di uno dei padri della genomica, K. Venter, il genoma di un batterio micoplasma è stato sintetizzato da singoli nucleotidi, che non è simile a nessuno dei genomi micoplasmici esistenti. Questo DNA è stato racchiuso in un involucro batterico “pronto” di micoplasma ucciso e se ne è ottenuto uno funzionante, cioè un organismo vivente con un genoma completamente sintetico.
* L’evoluzione ha “programmato” il lievito per elaborare lo zucchero e produrre varie sostanze biochimiche. A questo organismo già funzionante, l'ingegnere chimico di Berkeley Kisling ha aggiunto un programma genetico sviluppato in laboratorio, composto da 12 nuovi geni. Ha cambiato il metabolismo del lievito e hanno iniziato a produrre artemisinina.
* Craig Venter e George Churcha stanno creando organismi autosufficienti e altamente efficienti che convertono la luce solare direttamente in biocarburanti puliti con un danno ambientale minimo e zero emissioni di gas serra. Questi organismi “sostituiranno l’industria petrolchimica, la maggior parte degli alimenti, e parteciperanno al biorisanamento del suolo e alla produzione di energia pulita.
* Un'azienda chiamata Evolva è riuscita a creare un composto chiamato vanillina che, a differenza della vaniglia, non cresce su una vite ma su lievito sintetico.
PROSPETTIVE PER LA BIOLOGIA SINTETICA
* SONO GIÀ STATI CREATI ACIDI NUCLEICI ARTIFICIALI CHE POSSONO AUTOREPLICARSI ED EVOLVERE, IL CHE APRE UNA NUOVA ERA NELLA BIOLOGIA SINTETICA. Replica; zione (dal latino replicatio - rinnovamento, ripetizione)
* Si sta preparando un’enorme crisi antibiotica. E se nel prossimo futuro non appariranno nuovi antibiotici, torneremo al 19° secolo, quando moriremo di tubercolosi, colera e altre schifezze e nuovi antibiotici verranno prodotti utilizzando approcci di biologia sintetica.
CONVEGNI DI BIOLOGIA SINTETICA
* Nel giugno 2004, il MIT ha tenuto la sua prima conferenza sulla biologia sintetica.
* Biologia Sintetica - Gordon Research Conferences (New Gordon) - si terrà dal 28 giugno al 3 luglio 2015
La conferenza sulla scienza della biologia sintetica a New Gordon presenterà la ricerca all'avanguardia in questo campo in rapido sviluppo e fornirà un forum di discussione approfondito tra professionisti del mondo accademico e industriale nei vari campi che contribuiscono alla biologia sintetica.
* Conferenza scolastica “Biologia sintetica e progettazione di dispositivi di bioingegneria” l'11 luglio 2012 nell'edificio del MIPT di Mosca.
1. Migliorare la biologia ingegneristica per la progettazione di macchine viventi
2. Progettazione della funzionalità di microrganismi industriali su una stazione di lavoro automatizzata utilizzando un pacchetto software di università negli Stati Uniti e in Europa.
3. Modellazione in silico ad alte prestazioni di componenti di biosistemi industriali per la progettazione proteomica, lo sviluppo della configurazione, il caricamento e la risorsa degli organelli cellulari, ecc.
4. Test e debugging delle caratteristiche del codice progettato in un ambiente virtuale (banco virtuale) basato sulle caratteristiche del proteoma, metaboloma, trascrittoma ed epigenoma.
5. Sintesi e trasfezione del codice genetico sviluppato in un microrganismo modello in vitro.
* 6a Conferenza Internazionale sulla Biologia Sintetica a Londra - Luglio 2013
La maggior parte dei rapporti e delle comunicazioni erano dedicati alle modifiche della molecola del DNA.
CONCLUSIONE
Negli ultimi cento anni la scienza, e con essa la medicina, si è sviluppata a un ritmo record. Tuttavia, non è stato possibile sconfiggere i principali nemici dell'umanità: la fame e le malattie. La biologia sintetica è nella fase successiva di sviluppo e presto sarà difficile immaginare il mondo moderno senza di essa.
La biologia sintetica, un “insieme di strumenti molto potenti”, porterà alla creazione di un vaccino contro l’influenza e forse contro l’AIDS. E non è lontano il giorno in cui i microrganismi capaci di consumare anidride carbonica e rilasciare energia creeranno un’alternativa sicura ai tradizionali combustibili fossili. Ora che la biologia sintetica sta cominciando a mettere radici, la nostra sfida è garantire che le generazioni future la considerino una benedizione piuttosto che una maledizione.
Tuttavia, la biologia sintetica può creare prodotti a duplice uso, quindi dovrebbe essere sotto stretto controllo governativo.
Fonti
1. Biologia sintetica
La biologia sintetica (synbio) è un campo emergente delle scienze naturali, che, tuttavia, si basa sui principi dell'ingegneria. Fondamentalmente, la biologia sintetica si occupa della progettazione o ricostruzione di sistemi biologici o dei loro componenti e della loro creazione codificando il DNA del sistema o componente desiderato. La biologia sintetica fornisce tecnologie efficienti per riprodurre organismi naturali e creare materiale biologico “sintetico” che non esiste in natura. La biologia sintetica può essere utilizzata per rivoluzionare le scienze naturali e le loro applicazioni nella sanità, nell’energia e in molti altri settori, ma solleva anche seri problemi etici e di biosicurezza.
2. Rivoluzione nel campo della biologia sintetica: prospettive e rischi
(http://ria.ru/science/20131126/979860591.html)
John Craig Venter, insieme agli specialisti della sua azienda, ha iniziato con il DNA e ha costruito una sequenza genetica di nucleotidi, che contiene più di un milione di bit di informazione. Sette anni fa, Venter è diventato il primo scienziato al mondo a creare un oggetto biologico basato sulle informazioni genetiche esistenti.
Il team di Venter ha creato una cellula batterica artificiale inserendovi DNA sintetizzato artificialmente, dopo di che gli scienziati hanno iniziato a osservare come le cellule batteriche si muovono, si nutrono e si riproducono. Venter ha chiamato la sua nuova tecnologia “genomica sintetica”, che “apparirà per la prima volta nel mondo dei computer digitali sulla base della biologia digitale, e poi imparerà a creare nuove modifiche del DNA per scopi molto specifici. ... Ciò può significare che man mano che apprendiamo le leggi dell'esistenza di varie forme di vita, una persona sarà in grado di creare sistemi robotici e informatici ad autoapprendimento.
La genomica sintetica, combinata con un’altra svolta in biologia – la cosiddetta ricerca sulle mutazioni neomorfiche (o altrimenti nota come ricerca sul guadagno di funzione o ricerca GOF) – non solo apre un gran numero di nuove prospettive, ma pone anche molte domande difficili e minacce per la sicurezza nazionale.
Alcuni stanno già chiamando il lavoro di Venter per creare nuovi batteri artificiali “stampa 4-D”. Lascia che ti ricordi che la stampa 2D è il processo di stampa più comune, che inizia dopo aver premuto il tasto "Stampa" sulla tastiera, a seguito del quale la stampante più comune ti fornisce un articolo stampato, ecc. Tuttavia, le aziende industriali, le società di design e altri consumatori stanno già passando alla stampa 3D: in questo caso, un segnale viene inviato ai dispositivi contenenti tutti i tipi di materiali come plastica, grafite e persino cibo, e in uscita si ottengono tre prodotti tridimensionali. Nel caso della stampa 4D si aggiungono due importanti operazioni: l’autoassemblaggio e l’autoriproduzione. Innanzitutto, l'idea viene formalizzata e entra nel computer, quindi viene inviata a una stampante 3D e in uscita si ottiene un prodotto finale in grado di copiare e trasformarsi. Venter e diverse centinaia di altri biologi sintetici sostengono che la stampa 4D è particolarmente adatta per costruire oggetti viventi utilizzando gli elementi costitutivi che compongono gli stessi oggetti viventi, vale a dire il DNA.
La genomica sintetica, combinata con un’altra svolta in biologia – la cosiddetta ricerca sulle mutazioni neomorfiche (o altrimenti nota come ricerca sul guadagno di funzione o ricerca GOF) – non solo apre un gran numero di nuove prospettive, ma pone anche molte domande difficili e minacce per la sicurezza nazionale.
Ora il biologo è diventato un ingegnere che programma nuove forme di vita a suo piacimento. I biologi sono ora sempre più in grado di controllare l’evoluzione, vale a dire Stiamo assistendo alla “fine del darwinismo”. Una volta che le macromolecole informative saranno in grado di ereditare mutazioni benefiche attraverso l’evoluzione darwiniana autosufficiente, potranno iniziare a dare origine a nuove forme di vita”.
La biologia sintetica genererà nel prossimo futuro un boom economico e tecnologico, proprio come hanno fatto Internet e le tecnologie dei social media all’inizio di questo secolo.
L'ingegneria genetica delle forme di vita esistenti in natura e la creazione di nuove sono l'avanguardia della biologia.
Venter non aveva dubbi che la biologia sintetica, un “insieme di strumenti molto potenti”, avrebbe portato a un vaccino contro l’influenza e forse contro l’AIDS. E non è lontano il giorno in cui i microrganismi capaci di consumare anidride carbonica e rilasciare energia creeranno un’alternativa sicura ai tradizionali combustibili fossili. Ora che la biologia sintetica sta cominciando a mettere radici, la nostra sfida è garantire che le generazioni future la considerino una benedizione piuttosto che una maledizione.
3. Cos'è la biologia sintetica?
La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Il termine BIOLOGIA SINTETICA è stato a lungo utilizzato per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita. Recentemente, il termine “biologia sintetica” è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).
4.Biologia sintetica WIKI it.
La biologia sintetica è una branca interdisciplinare della biologia, che combina discipline come la biotecnologia, la biologia evolutiva, la biologia molecolare, la biologia dei sistemi e la biofisica, ed è in gran parte correlata all'ingegneria genetica.
La definizione di biologia sintetica è molto dibattuta non solo tra gli scienziati naturali, ma anche nelle discipline umanistiche, artistiche e politiche. Una delle definizioni popolari è "La progettazione e la costruzione di dispositivi biologici e sistemi biologici per scopi utili". Tuttavia, gli aspetti funzionali di questo stelo definiscono la biologia molecolare e la biotecnologia.
5.Biologia sintetica
Biologia sintetica (esperanto)
La biologia sintetica è un nuovo campo della ricerca biologica che unisce scienza e tecnologia. La biologia sintetica comprende diversi approcci, metodologie e discipline ed esistono varie definizioni. Ciò che tutti condividono, tuttavia, è che vedono la biologia sintetica come la progettazione e la costruzione di nuove funzioni e sistemi biologici che non si verificano in natura.
Il lavoro sulle restrittonucleasi non solo rende possibile costruire facilmente molecole di DNA ricombinante e analizzare singoli geni, ma ci ha anche portato in una nuova era della biologia sintetica, dove non solo i geni esistenti vengono descritti e analizzati, ma anche nuovi meccanismi genetici possono essere analizzati. essere costruiti e valutati.
6.Biologia sintetica (dal finlandese)
La biologia sintetica è un campo biologico emergente di ricerca che unisce scienza e tecnologia. Copre una gamma di approcci, metodologie e discipline diversi e diverse definizioni. Ciò che hanno in comune, tuttavia, è il fatto che stanno guardando alla biologia sintetica per nuove funzioni biologiche e sistemi di progettazione e costruzione che non si trovano in natura.
7. Biologia sintetica: nuove regole ingegneristiche per una disciplina emergente. Biologia dei sistemi molecolari
Volume 2, Numero 1, I biologi sintetici progettano sistemi biologici artificiali complessi per studiare fenomeni biologici naturali e per una varietà di applicazioni. Descriveremo le principali caratteristiche della biologia sintetica come nuova disciplina ingegneristica, coprendo esempi tratti dalla letteratura recente e riflettendo sulle caratteristiche che la rendono unica tra tutti gli altri campi ingegneristici esistenti. Discuteremo metodi per progettare e costruire cellule ingegnerizzate con nuove funzioni all'interno di una gerarchia astratta di dispositivi biologici, moduli, cellule e sistemi multicellulari. Le classiche strategie ingegneristiche di standardizzazione, disaccoppiamento e astrazione dovranno essere estese per tenere conto delle caratteristiche intrinseche dei dispositivi e dei moduli biologici. Per ottenere prevedibilità e affidabilità, le strategie di biologia ingegneristica devono incorporare il concetto di contesto cellulare nella definizione funzionale di dispositivi e moduli, uso razionale della riprogettazione ed evoluzione diretta per ottimizzare il sistema e concentrarsi sulla risoluzione dei problemi utilizzando popolazioni cellulari piuttosto che singole cellule. La discussione identifica le questioni al centro della progettazione di sistemi viventi complessi e fornisce una traiettoria per lo sviluppo futuro.
8. Cinque dure verità per la biologia sintetica
Pubblicato online il 20 gennaio 2010 | Natura 463, 288-290 (2010) | doi:10.1038/463288a
(http://www.nature.com/news/2010/100120/full/463288a.html)
9. Scienza della biologia sintetica
(http://ru.science.wikia.com/wiki/Synthetic_biology)
Biologia sintetica è un termine utilizzato da tempo per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio per creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita.
Recentemente, il termine è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).
La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Sviluppato da una piccola galassia di scienziati. Gli obiettivi principali sono:
Impara di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole e non smontandola, come veniva fatto prima.
Rendere l’ingegneria genetica degna di questo nome significa trasformarla da arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.
Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato; Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione. Ciò consentirà di progettare sistemi viventi che si comportino in modi prevedibili (e a volontà) e utilizzino parti intercambiabili di un insieme standard di geni. Gli scienziati stanno cercando di creare una vasta banca genetica che consenta loro di creare qualsiasi organismo desiderato (per analogia con la creazione di un circuito elettronico da transistor e diodi industriali). La banca è composta da biobricks (BioBrick) - frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per la sintesi di una proteina precedentemente nota.
Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:
meccanico - in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica;
software - in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.
La biologia sintetica è in grado di creare batteri ingegnerizzati in grado di produrre farmaci complessi e rari a basso costo e in quantità industriali. I genomi ingegnerizzati potrebbero portare a fonti energetiche alternative (sintesi di biocarburanti) o batteri che aiutano a rimuovere l’anidride carbonica in eccesso dall’atmosfera.
10.Teoria sintetica dell'evoluzione
VIKI ru.
La teoria sintetica dell'evoluzione (anche sintesi evoluzionistica moderna) è una teoria evoluzionistica moderna che è una sintesi di varie discipline, principalmente la genetica e il darwinismo. STE si basa anche sulla paleontologia, sulla sistematica, sulla biologia molecolare e altri.
Pertanto, l'essenza della teoria sintetica è la riproduzione preferenziale di alcuni genotipi e la loro trasmissione ai discendenti. Nella questione dell'origine della diversità genetica, la teoria sintetica riconosce il ruolo principale della ricombinazione genetica.
Affinché l’evoluzione avvenga, devono essere presenti tre processi:
mutazionale, generando nuove varianti genetiche con bassa espressione fenotipica;
ricombinazione, creazione di nuovi fenotipi di individui;
selezione, determinando la corrispondenza di questi fenotipi a determinate condizioni di vita o di crescita.
La teoria sintetica dell'evoluzione può essere caratterizzata come una teoria dell'evoluzione organica attraverso la selezione naturale di tratti geneticamente determinati.
L'evoluzione non è sempre di natura divergente.
L’evoluzione non è necessariamente graduale. È possibile che in alcuni casi i singoli eventi macroevolutivi possano avere anche carattere improvviso.
La macroevoluzione può passare sia attraverso la microevoluzione che per percorsi propri.
Secondo il neodarwinismo, tutte le caratteristiche degli esseri viventi sono completamente determinate dal genotipo e dalla natura della selezione. Pertanto, il parallelismo (somiglianza secondaria di creature imparentate) è spiegato dal fatto che gli organismi hanno ereditato un gran numero di geni identici dal loro recente antenato e l'origine dei caratteri convergenti è interamente attribuita all'azione della selezione.
Gli autori del puntualismo contrastano la loro visione con il gradualismo - l'idea di Darwin di un'evoluzione graduale attraverso piccoli cambiamenti - e considerano l'equilibrio punteggiato una ragione sufficiente per rifiutare l'intera teoria sintetica.
11. Materia programmabile VIKI ru.
Biologia sintetica (sezione)
La biologia sintetica è un campo di ricerca volto a creare cellule con "nuove funzioni biologiche". Tali cellule vengono generalmente utilizzate per creare sistemi di grandi dimensioni (come i biofilm) che possono essere “programmati” per utilizzare reti di geni sintetici (come gli interruttori genetici bistabili) in modo che possano cambiare colore, forma, ecc.
Collegamenti
Materia programmabile
Gruppo sulla materia programmabile dell'Università di Boston
Progetto Claytronics alla Carnegie Mellon University
Progetto di materia intelligente universalmente programmabile
12. Genoma artificiale VIKI ru.
Il genoma artificiale è una direzione della ricerca biologica associata alla modificazione genetica di organismi esistenti al fine di creare organismi con nuove proprietà. A differenza dell’ingegneria genetica, un genoma artificiale è costituito da geni sintetizzati chimicamente.
Si presume che in futuro potranno essere creati genomi artificiali non basati sul DNA o utilizzando un insieme di nucleotidi e altri principi di codifica diversi rispetto ai genomi naturali. Pertanto, la creazione di genomi artificiali è una delle aree della biologia sintetica.
Sicurezza biologica
prevenire la perdita diffusa di integrità biologica che può verificarsi a seguito di: -
introduzione di forme di vita aliene nell'ecosistema esistente;
introduzione di geni o prioni virali o transgenici estranei;
contaminazione batterica degli alimenti;
gli effetti della terapia genica o dell'ingegneria genetica o dei virus su organi e tessuti;
inquinamento delle risorse naturali (acqua, suolo);
possibile introduzione di microrganismi alieni dallo spazio.
Nella biologia sintetica (riferendosi ai rischi associati a questo tipo di pratica di laboratorio)
Nella biologia sintetica (riferendosi ai rischi associati a questo tipo di pratica di laboratorio)
13.Tradizione della biologia sintetica
http://traditio-ru.org/wiki/
Il campo della biologia che crea/trasforma gli organismi viventi.
19esimo secolo
Il periodo di massimo splendore e il rapido sviluppo di SB si sono verificati tra la metà del 19° secolo e l'inizio del 20° secolo:
Vitalismo
I successi della sintesi furono accompagnati in questo periodo dai successi sperimentali dei vitalisti (vedi Drish Embryo Encyclopedia)
Opere moderne
Le opere moderne sono caratterizzate da volumi incredibilmente grandi di bioinformazioni elaborate (vedi biologia dei sistemi) e strumenti fisici (super/ultra) sottili:
(bio)stampante tridimensionale di organi ricerca su Google.
sintesi di cellule viventi sintesi di cellule viventi - richiesta immagine Google
Il parallelismo tra creazione della vita e intelligenza artificiale.
Filosofia/ontologia
Questioni filosofiche e ontologiche del Consiglio di Sicurezza:
Il principio di Rady: vivere dalla vita (nei programmi DARPA - questo si è manifestato con l'impianto di sistemi elettronici negli insetti e nei ratti)
Differenza tra bio e zoe
è ridotto al minimo quando domina il "BIOS". Valentin Tomberg. Tarocchi Arcani Maggiori
14.Biologia sintetica
http://positime.ru/synthetic-biology
Come sapete, il termine biologia sintetica veniva utilizzato già nel 1980. È stato utilizzato da Barbara Hobom per descrivere i batteri che erano stati geneticamente modificati utilizzando il DNA ricombinante. Il termine è stato coniato nuovamente nel 2000 da un certo Eric Kohl e numerosi altri relatori durante l'incontro dell'American Chemical Society, che si tiene ogni anno a San Francisco.
Vale la pena notare che questo termine è stato utilizzato nel 2000 per descrivere il processo di sintesi di molecole organiche artificiali, che svolgono un ruolo molto importante nei sistemi viventi.
Quest'area è nuova in biologia. È stato creato per progettare e creare sistemi biologici completamente nuovi che non si trovano in natura. La biologia sintetica aggiunge nuove proprietà agli organismi esistenti, ad esempio i batteri possono acquisire nuove proprietà o subire un certo stadio di modifica. Si prevede che in futuro saranno in grado di esistere e riprodursi in modo indipendente.
La biologia sintetica è stata creata per imparare molto di più sulla vita senza dover smontare molecole e atomi in parti. Trasformare l'ingegneria genetica in qualcosa di nuovo, in una disciplina rigorosa e in continua evoluzione. Inoltre, uno degli obiettivi è rendere più sfumati i confini tra macchine e persone e ottenere la possibilità di programmare il corpo umano.
In una parola, la biologia sintetica è nella fase successiva di sviluppo e presto sarà difficile immaginare il mondo moderno senza di essa.
15.La biologia sintetica sta cambiando il mondo
http://www.inventor.perm.ru/news_2011/2010_05_02_01.htm
Negli ultimi cento anni la scienza, e con essa la medicina, si è sviluppata a un ritmo record. Tuttavia, non è stato possibile sconfiggere i principali nemici dell'umanità: la fame e le malattie.
Nel frattempo si profilavano all’orizzonte altri gravi problemi, come la crisi energetica legata alla diminuzione delle riserve di petrolio e gas. Gli aderenti a una nuova direzione nella scienza - la biologia sintetica - sono impegnati a risolvere tutti questi problemi. Alla fine del 2010 presso l’istituto americano Craig Venter è stato creato il primo batterio con un genoma completamente sintetico. Ora ci si aspetta che i ricercatori facciano letteralmente miracoli. Lo stesso Craig Venter, così come i suoi concorrenti, dichiarano che l’umanità ha bisogno di nuovi approcci per dotarsi di risorse alimentari ed energetiche. E sono pronti a fornire questi approcci.
La comparsa dei primi batteri sintetici ha letteralmente fatto saltare in aria il mondo scientifico. Ciò è comprensibile: Venter e i suoi colleghi sono riusciti nell'incredibile: creare la vita dalla materia morta.
Quando gli scienziati hanno commesso un solo errore in una molecola composta da 1,08 milioni di coppie di basi nucleotidiche, la cellula non ha preso vita. Ma alla fine, il lavoro è stato completato in modo impeccabile ed è nata una cellula creata artificialmente, ma completamente vivente. Il suo nome è Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.
La biologia sintetica è una direzione molto promettente nell'ingegneria genetica. Se gli scienziati di solito interferiscono con il DNA già esistente di animali e piante, assegnando loro proprietà finora senza precedenti, allora la biologia sintetica è impegnata nella creazione di sistemi viventi fondamentalmente nuovi. L'obiettivo immediato dei pionieri di questa branca della scienza è creare un organismo con un genoma minimo, capace cioè di mangiare, crescere e riprodursi.
Un batterio con un genoma minimo diventerà la base alla quale potranno essere aggiunte nuove regioni del genoma con qualità specifiche. Il risultato saranno microbi che, ad esempio, generano durante i loro processi vitali molecole di alcol o polimeri, da cui poi si potrà produrre la plastica. Pertanto, la biologia sintetica offusca il confine tra la Vita e le macchine programmate per attività specifiche.
Uno dei principali investitori di Craig Venter è il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Questo dipartimento ogni anno nel 2008-2010 ha investito 115 milioni di dollari negli sviluppi di Venter. L'interesse si basa sull'aspettativa di miracoli nel campo delle energie alternative. Gli esperti ritengono che entro 15-20 anni i risultati della ricerca potranno essere utilizzati per creare fonti energetiche alternative.
Nel 2009, Craig Venter e la sua azienda hanno stipulato un accordo con il gigante del petrolio e del gas ExxonMobil per sviluppare carburante economico ed ecologico. Il prezzo di emissione è di 600 milioni di dollari. Secondo il progetto, la fonte del biocarburante saranno le alghe con un genoma modificato, che consentirà loro di produrre idrocarburi simili nella composizione alle sostanze organiche del petrolio. Tutto ciò di cui hanno bisogno le alghe è luce solare e acqua, la loro biomassa aumenta molto rapidamente e possono essere coltivate in quantità illimitate.
I ricercatori dell'Università di Yale hanno sviluppato un metodo diretto per produrre elettricità utilizzando batteri. Solo due cellule viventi possono convertire l'energia delle reazioni chimiche in elettricità con un'efficienza del 10%. Tuttavia, le complicazioni derivano dalla possibilità di utilizzo industriale di questo metodo. Una colonia di batteri semplicemente si distruggerà con la stessa elettricità che emette.
Milioni di colonie batteriche saranno in grado di sintetizzare innumerevoli quantità di cibo, medicinali e sostanze necessarie. Ci sarà quel “pane eterno” che sognavano i chimici nell’Ottocento. In questo caso i costi saranno minimi, la persona sarà ben nutrita, sana e non sarà necessario nient'altro.
Ogni anno in Africa muoiono circa 2 milioni di persone a causa della malaria. Un efficace farmaco antimalarico è l’artemisinina. È fatto dalla radice dell'assenzio dolce. Tale produzione costa parecchio e la popolazione africana non può permetterselo. Nel 2004, il chimico dell’Università della California Jay Keasling ha condotto una serie di esperimenti che hanno dimostrato che esisteva un modo per rendere il farmaco più economico. Lo scienziato ha avuto l'idea di produrre artemisinina utilizzando il lievito.
Una delle aree della biologia sintetica in cui siamo coinvolti è la costruzione di molecole artificiali che hanno le proprietà del DNA, ma sono costituite da 6 molecole. Gli sviluppi utilizzati in medicina ci fruttano 100 milioni di dollari all'anno", afferma Stephen Benner, professore di chimica all'Università della Florida. Secondo lo scienziato, questo approccio è più ambizioso del lavoro di Craig Venter, che utilizza sezioni di materiali naturali DNA.
Christopher Voigt e Christina Smolke sono andati ancora oltre. Creano batteri simbionti che possono vivere nel corpo umano, mentre cercano cellule tumorali al suo interno. Si prevede di ottenere batteri killer in grado di distruggere le cellule tumorali.
Nel dicembre 2010, gli astrobiologi della NASA sono riusciti a ottenere batteri che funzionano senza fosforo, uno degli elementi standard su cui poggiano le forme di vita terrestre. In sostituzione è stato utilizzato l'arsenico. L'affermazione che la struttura cellulare deve contenere fosforo e senza di esso la vita è impossibile era un dogma per i biologi di tutto il mondo. Questo esperimento mina le basi della biologia tradizionale e fa capire alle persone che la loro conoscenza di questo mondo è insignificante. Steen Rasmussen sta cercando di abbandonare del tutto il DNA, sostituendolo con l'acido nucleico peptidico (PNA). Questa molecola non si troverà all'interno della cellula, ma all'esterno. Ciò renderà più facile per la cellula mangiare e respirare, dicono gli scienziati.
16.biologia sintetica
(http://ru.knowledgr.com/00519961/biologia sintetica)
La biologia sintetica è un campo emergente della ricerca e della tecnologia biologica che integra scienza e ingegneria. Copre molti approcci, metodologie e discipline diversi con molte definizioni. L'obiettivo generale è la progettazione e la costruzione di nuove funzioni e sistemi biologici non presenti in natura.
I sistemi biologici sono sistemi fisici costituiti da sostanze chimiche. Intorno all'inizio del XX secolo, la scienza chimica ha attraversato una transizione dallo studio delle sostanze chimiche naturali ai tentativi di progettare e costruire nuove sostanze chimiche. Questa transizione ha portato al campo della chimica sintetica. Nella stessa tradizione, alcuni aspetti della biologia sintetica possono essere visti come un'estensione e un'applicazione della chimica sintetica alla biologia e includono lavori che vanno dalla creazione di nuovi utili prodotti biochimici allo studio dell'origine della vita.
La ricerca in biologia sintetica può essere suddivisa in ampie classificazioni a seconda dell'approccio adottato al problema in questione: progettazione di celle solari, ingegneria biomolecolare, ingegneria del genoma e progettazione biomolecolare. L'approccio delle celle solari comprende progetti per realizzare sistemi automoltiplicanti da componenti interamente sintetici. L'ingegneria biomolecolare include approcci che cercano di creare una serie di strumenti di unità funzionali che possono essere introdotte per introdurre nuove funzioni ortogonali nelle cellule viventi. L'ingegneria del genoma include approcci per costruire cromosomi sintetici per organismi interi o minimi. L'approccio alla progettazione biomolecolare si riferisce all'idea generale della progettazione de novo e della combinazione di componenti biomolecolari. L'obiettivo di ciascuno di questi approcci è simile: creare un input più sintetico a un livello di difficoltà più elevato manipolando parte del livello in corso.
17.Biologia sintetica
(http://www.sci-lib.net/index.php?showtopic=3905)
20.08.2007, 13:16
I biologi intendono creare il primo organismo vivente entro il prossimo decennio
Gli scienziati di tutto il mondo sono attualmente attivamente impegnati in un'area scientifica nuova ma estremamente promettente: la biologia sintetica, il cui compito principale è la creazione artificiale di organismi viventi. Secondo gli esperti, i primi organismi sintetici, ma comunque viventi, verranno creati tra 3 e 10 anni, riferisce AP.
"Sarà un risultato molto grande e tutti devono saperlo. Stiamo parlando di una tecnologia che può cambiare radicalmente il nostro mondo, infatti è persino difficile prevedere esattamente come cambierà", afferma Marc Bedow, direttore operativo funzionario della società italiana ProtoLife, che opera anche nel campo della biologia sintetica.
Naturalmente, i primi organismi viventi creati artificialmente saranno i più primitivi: batteri creati sulla base di DNA geneticamente modellato e di tutti i componenti organici, senza i quali l'esistenza di un organismo vivente è impossibile. Il compito principale che devono affrontare oggi questi studi è creare le cosiddette protocellule, cioè “materiali da costruzione” da cui verranno creati i futuri organismi viventi.
"La creazione di protocellule è importante non solo dal punto di vista dell'ottenimento di batteri artificiali, ma anche per comprendere come è nata la vita in condizioni naturali nell'Universo", afferma.
Gli scienziati notano che ormai da diversi anni stanno lottando con l'enigma di quanto minimo e allo stesso tempo universale dovrebbe essere un insieme di geni per garantire la sopravvivenza di un organismo. Sapere questo permetterà ai genetisti di diventare letteralmente “creatori di vita”.
Tuttavia, le opinioni su questi studi anche nella comunità scientifica differiscono. Alcuni scienziati ritengono che la biologia sintetica sia una fonte di soluzioni a molti problemi del mondo moderno, come l'inquinamento atmosferico, la creazione di carburante, la lotta contro varie malattie e altri settori. Altri sostengono che se questi sviluppi finissero nelle mani degli aggressori, le conseguenze potrebbero essere davvero terribili, poiché sarebbe possibile creare batteri, virus e altri microrganismi che possono causare terribili epidemie e mutazioni.
Eppure, la ricerca è ancora in corso oggi. Secondo Bedow, prima che vengano creati organismi viventi sintetizzati, la scienza mondiale deve ancora risolvere una serie di problemi:
18.Sulla biologia sintetica
(http://novostinauki.ru/news/61245/)
L’ingegneria genetica apre le sue braccia a dimensioni chiamate biologia sintetica. Questa non è affatto un'unione formale di genetisti, botanici e fisici con i chimici. Questa è l'ingegneria genetica, che non trasferisce i singoli geni avanti e indietro, ma studia la struttura di interi genomi, i principi del loro funzionamento e si avvicina a rivettare organismi completamente nuovi a sua discrezione.
Le questioni della biologia sintetica sono affrontate principalmente dalla biochimica fondamentale, dalle scienze molecolari, dalla chimica, dalla fisica, dall'informatica e la sfera applicata è limitata alla microbiologia e possibilmente anche alla farmacologia. La biologia sintetica vegetale è ancora agli inizi, e nella tecnologia alimentare e in agricoltura è solo una prima approssimazione.
19.Prospettive della biologia sintetica
(http://novostinauki.ru/news/49977/)
VENGONO CREATI ACIDI NUCLEICI ARTIFICIALI CHE POSSONO AUTOREPLICARSI ED EVOLVERE, CHE APRE UNA NUOVA ERA NELLA BIOLOGIA SINTETICA –
Gli acidi nucleici sintetici, chiamati acidi xenonucleici, si comportano allo stesso modo delle loro controparti naturali, i polimeri genetici DNA e RNA. Cioè, queste sono molecole a spirale che sono capaci di raddoppiarsi e anche di evolversi, cioè sostituire i singoli elementi della catena. La creazione di tali acidi nucleici è stata segnalata dai ricercatori del Laboratorio di Biologia Molecolare del Medical Research Council (MRC Laboratory of Molecular Biology) di Cambridge, nel Regno Unito, pubblicando un articolo su Science (20 aprile 2012). Questo risultato verrà utilizzato non solo nella biotecnologia e nella progettazione di nuovi farmaci, ma anche nello studio dell'origine della vita, sulla Terra e oltre, scrive The Scientist. Secondo l’esperto di pubblicazioni Eric Kool (Università di Stanford, California), la produzione di acidi xenonucleici suggerisce che “non è necessario essere attaccati alla struttura portante del ribosio o del desossiribosio dell’RNA o del DNA per trasmettere, ereditare e far evolvere le informazioni”. Negli ultimi 20 anni gli scienziati hanno cercato di creare tutti i tipi di acidi xenonucleici manipolando vari zuccheri in sostituzione dei residui di ribosio e desossiribosio. In particolare, il treoso è stato utilizzato per creare una somiglianza del DNA chiamata TNA, e l'anidroesitolo ha dato il nome al biopolimero artificiale HNA. Queste molecole sono state studiate per applicazioni in biotecnologia e medicina. Tuttavia, non erano analoghi del DNA e dell'RNA in senso biologico: non si auto-replicavano e non si evolvevano.
20.La biologia sintetica cambierà il nostro mondo
(http://oagb.ru/info.php?txt_id=17&nid=15667&page=0)
Trent’anni fa, il geologo Dougal Dixon salì alla ribalta con il suo libro After Man: The Zoology of the Future. In esso, l'autore fantastica su come si trasformerà il mondo animale di tempi lontani, dove non ci saranno più persone.
21. Topi rilevatori di mine
Nel 2012, un gruppo di scienziati dell’Hunter College della City University di New York ha allevato topi ipersensibili all’odore degli esplosivi.
Nel mouse MouSensor, con l'aiuto dell'ingegneria genetica, è stato possibile aumentare significativamente (fino a 1 milione) il numero di neuroni nel bulbo olfattivo che rispondono alle molecole di una sostanza specifica - 2,4-dinitrotoluene (DNT, il suo l'odore è simile all'odore del TNT - TNT).
Zanzare contro la malaria
Ad esempio, un gruppo di scienziati dell'Università della California a Irvine e del Centro Pasteur francese ha già creato zanzare transgeniche che hanno una maggiore resistenza al Plasmodium falciparum (l'agente eziologico della forma più mortale di malaria). Le attuali capacità tecniche consentono di diffondere grandi popolazioni di insetti modificati nei principali focolai di infezione e quindi di contenere la riproduzione di individui selvatici portatori dell'infezione.
Tagliamo al vivo
Più recentemente, i biologi hanno sviluppato una nuova tecnologia di modifica del genoma: CRISPR, che consente di tagliare e incollare frammenti di DNA con la massima precisione. Ciò apre prospettive completamente nuove nell’ingegneria genetica. Non ci sorprendono più le pecore con un alto contenuto di acidi grassi Omega-3 nella loro carne, create da scienziati cinesi dell’Istituto di genetica e biologia dello sviluppo di Pechino, o le capre modernizzate dai biologi dell’Università del Wyoming, il cui latte contiene proteine della seta del ragno. Attualmente, il genetista molecolare Scott Fahrenkrug dell'Università del Minnesota sta realizzando la sua idea: allevare mucche senza corna. Per fare questo, ha ritagliato dieci lettere genetiche dal genoma di una mucca da latte e ne ha inserite 212 di un’altra razza. Eppure, gli ingegneri genetici sono ancora impegnati con piccole modifiche che si riducono all’ottenimento della sostanza giusta o alla riduzione del rischio di malattia in un animale. Se guardiamo al domani, vedremo un quadro completamente diverso.
I principi della biologia sintetica ci consentono di ottenere un controllo significativamente maggiore sul processo di progettazione, aprendo nuove opportunità agli scienziati di operare rapidamente con le proprietà desiderate degli organismi a un livello fondamentalmente nuovo, quello genetico”.
Ora, lo sviluppo della tecnologia sta portando al fatto che la distinzione tra naturale e artificiale, tra un organismo e un meccanismo inizierà gradualmente a sfumare. Una persona ricostruirà il primo in ogni modo e farà crescere parzialmente il secondo; il confine tra loro diventerà arbitrario al punto da rendere impossibile conoscere l'origine dell'oggetto.
22. Intervista al microbiologo Konstantin
(http://postnauka.ru/talks/27769)
Cos'è la biologia sintetica?
- In senso lato, l'obiettivo della biologia sintetica è la creazione razionale di organismi biologici con le proprietà desiderate. Questo, ovviamente, è molto simile all'ingegneria genetica, che si è sviluppata attivamente dagli anni '70 del secolo scorso. Ma la biologia sintetica si basa su un livello più elevato di comprensione delle entità biologiche, acquisito attraverso lo sviluppo della cosiddetta biologia dei “sistemi”.
La biologia dei sistemi è nata in connessione con lo sviluppo di una serie di tecnologie analitiche ad alto rendimento. Sulla base di queste tecnologie sono emerse nuove aree di conoscenza, spesso collettivamente chiamate “omiche”. Si tratta della genomica, che permette di identificare tutti i geni di un organismo; trascrittomica, che consente di quantificare il livello di attività di tutti i geni che operano in uno specifico tipo di cellula in un dato tessuto in un dato momento; proteomica, che consente di determinare tutte le proteine presenti in un particolare tipo di cellula, tessuto, ecc. Esiste anche la metabolomica: questa è la determinazione di tutte le piccole molecole, metaboliti presenti in una cellula, tessuto o qualche altro campione naturale.
Dal punto di vista della biologia sintetica, la microbiologia è in vantaggio rispetto agli altri, poiché i microbi sono oggetti modello ideali. Sono molto semplici rispetto a noi, quindi fare molte cose con loro è molto più comodo e più facile. Formalmente, il primo (e finora unico) organismo completamente sintetico è un microbo creato diversi anni fa dal gruppo di Craig Venter. Questa è la stessa persona che per prima determinò il genoma umano (il suo)
Nuovi antibiotici saranno ottenuti attraverso l'uso di metodi di biologia sintetica. Stiamo preparando un’enorme crisi antibiotica. E se nel prossimo futuro non appariranno nuovi antibiotici, torneremo al 19° secolo, quando moriremo di tubercolosi, colera e altri rifiuti.
Nuovi antibiotici saranno prodotti utilizzando approcci di biologia sintetica.
23. Cos'è la biologia sintetica?
(http://www.synberc.org/what-is-synbio)
La biologia sintetica rappresenta la convergenza dei progressi della chimica, della biologia, dell’informatica e dell’ingegneria. Gli esperti in questi campi stanno lavorando insieme per creare metodi riutilizzabili e sistematici per aumentare la velocità, la scalabilità e la precisione nell'ingegneria dei sistemi biologici. In un certo senso, la biologia sintetica può essere vista come un’evoluzione della biologia attraverso un “kit di strumenti” che consente di migliorare i prodotti in molti settori, tra cui la medicina, l’energia e l’ambiente.
Il progresso verso la biologia sintetica è stato praticamente raggiunto solo con l’avvento di due tecnologie fondamentali, il sequenziamento e la sintesi del DNA. Con il sequenziamento, la nostra comprensione dei componenti e dell’organizzazione dei sistemi biologici naturali è aumentata e la sintesi ha fornito l’opportunità di iniziare a testare progetti per nuove parti e sistemi biologici sintetici.
24. Biologia sintetica - Conferenze di ricerca Gordon (Conferenza New Gordon)
(http://www.grc.org/programs.aspx?id=15842)
28 giugno - 3 luglio 2015
La Gordon Research Conference sulla biologia sintetica del 2015 presenterà la ricerca all'avanguardia in questo campo in rapida evoluzione e fornirà discussioni approfondite nei forum tra professionisti del mondo accademico e industriale nei vari campi che contribuiscono alla biologia sintetica.
La biologia sintetica - la progettazione di sistemi biologici più complessi secondo principi tratti dalle discipline ingegneristiche classiche - ha conosciuto una rapida crescita sin dalla sua fondazione in campi - come la progettazione di circuiti biologici - nell'ampio campo della biotecnologia scientifica e industriale.
L'atmosfera collegiale, con sessioni di discussione programmate, nonché opportunità di incontri informali nel pomeriggio e nella sera, offre occasione di brainstorming e promuove la collaborazione interdisciplinare in diversi ambiti di ricerca.
25. Conferenza scolastica "Biologia sintetica e progettazione di dispositivi di bioingegneria" 11 luglio 2012 nell'edificio del MIPT di Mosca.
(http://synbio2012.ru/)
La biologia sintetica è l'ultima direzione della tecnologia industriale all'intersezione tra informatica, elettronica, chimica e biologia, che combina aree avanzate di ricerca allo scopo di progettare, sintetizzare e costruire nuove, comprese quelle inesistenti in natura, funzioni biologiche e viventi sistemi. La moderna biologia sintetica (dei sistemi) è un kit di strumenti ingegneristici per la progettazione di sistemi viventi funzionali e controllabili con proprietà specifiche: energetici, industriali e produttivi in natura.
I risultati dell’ultimo decennio nel campo delle tecnologie genomiche e cellulari, in termini di importanza per l’industria e l’economia dei paesi del mondo, sono paragonabili alla scoperta dei semiconduttori a metà del secolo scorso e allo sviluppo di l’industria radioelettronica nella Silicon Valley.
Nel 2010, l'ingegnere e biologo americano Craig Venter ha sintetizzato la prima cellula con un genoma artificiale assemblato su un supercomputer. Da allora, i maggiori clienti della ricerca in questo settore sono stati il Dipartimento della Difesa americano, il Dipartimento dell'Energia americano e le aziende del complesso militare-industriale (Raytheon, Lockheed-Martin, ecc.).
26. W: Acidi xenonucleici - concorrenti sintetici del DNA
Alla 6a Conferenza Internazionale sulla Biologia Sintetica tenutasi a Londra, la stragrande maggioranza dei rapporti e dei messaggi era dedicata all'una o all'altra modificazione della molecola del DNA.
27. Vita sintetica di Waite Gibbs
(http://wsyachina.narod.ru/biology/handmade_life_2.html)
Una nuova direzione nell'ingegneria genetica: la biologia sintetica.
I tre obiettivi principali della biologia sintetica sono:
Innanzitutto, è lo studio degli organismi attraverso la loro creazione e non attraverso la loro decomposizione in parti. In secondo luogo, lo sviluppo dell’ingegneria genetica stessa affinché sia all’altezza del suo nome e diventi una disciplina capace di sviluppare e creare costantemente sistemi biologici sempre più complessi. In terzo luogo, espandere i confini dei mondi viventi e non viventi, in modo che, come risultato della loro intersezione, appaiano esseri viventi programmabili.
La biologia sintetica è iniziata con il lavoro di Steven Benner e Peter Schultz. Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due. Da allora sono state ottenute diverse varianti di DNA simile, ma finora nessuno è riuscito a ottenere il funzionamento dei propri geni, cioè la trascrizione e la traduzione (sintesi proteica).
Tutti gli organismi sono basati sulle stesse molecole: cinque nucleotidi, i monomeri che compongono DNA e RNA, e 20 amminoacidi, gli elementi costitutivi delle molecole proteiche (un piccolo numero di specie ha almeno due amminoacidi aggiuntivi).
Davis sta pensando di creare globuli bianchi che sintetizzano proteine insolite che distruggono istantaneamente i microrganismi patogeni o le cellule tumorali.
L’ambito prioritario per l’utilizzo di sistemi di vita artificiale sarà il lavoro in cui si ha a che fare con sostanze chimiche potenzialmente letali.
Modificando leggermente il batterio sarà possibile ottenere costosi composti chimici utilizzati nell'industria cosmetica e, soprattutto, il farmaco antitumorale Taxol.
Nel 1975, i principali biologi del mondo decisero di vietare l'uso della tecnologia del DNA ricombinante e quindi svilupparono regole per lavorare con essa.
28. Un risultato fondamentale: gli scienziati raggiungono il successo nella sintesi del lievito
Nel maggio 2010, il famoso genetista americano John Craig Venter ha annunciato la creazione della prima cellula vivente parzialmente sintetica al mondo in grado di riprodursi.
A differenza dei batteri, i lieviti sono eucarioti, cioè le loro cellule contengono nuclei, ed è in essi che si trovano i cromosomi, che sono portatori di informazioni ereditarie.
Sulla rivista Science i ricercatori hanno presentato quella che può essere considerata una pietra miliare in questo percorso: il lievito, nel cui genoma uno dei cromosomi è sostituito da un analogo completamente sintetizzato in laboratorio.
Ci sono un totale di 16 cromosomi in una cellula di lievito e il cromosoma numero 3 è uno dei più piccoli: rappresenta solo il 2,5% del materiale ereditario, costituito da 12 milioni di paia di basi nucleotidiche.
Innanzitutto, hanno progettato l'intero cromosoma in un computer e poi, seguendo rigorosamente questo piano, lo hanno sintetizzato in un laboratorio chimico.
Di particolare importanza per questo lavoro è il fatto che il cromosoma artificiale non è del tutto identico a quello naturale.
Il leader del progetto Synthetic Yeast 2.0 è Jef Boeke, professore di biologia molecolare e genetica alla Johns Hopkins University e direttore del Systems Genomics Institute presso il Langone Medical Center della New York University.
La biologia sintetica si sta spostando dalla teoria alla pratica. Altri gruppi di ricercatori stanno già lavorando alla sintesi di altri cromosomi, e quindi il professor Buka è fiducioso che entro quattro anni sarà disponibile lievito con un genoma completamente sintetizzato.
29. Dieci più grandi risultati del decennio nel campo della biologia e della medicina
(http://sciencefirsthand.ru/pdf/sfh_43_48-51.pdf)
Biologia sintetica e genomica sintetica: quanto è facile diventare Dio Le informazioni accumulate in oltre mezzo secolo di sviluppo della biologia molecolare consentono oggi agli scienziati di creare sistemi viventi che non sono mai esistiti in natura. A quanto pare, questo non è affatto difficile da fare, soprattutto se si inizia con qualcosa di già noto e si limitano le proprie affermazioni a organismi semplici come i batteri. In questi giorni, gli Stati Uniti ospitano addirittura una competizione speciale, iGEM (International Geneically Engineered Machine), in cui squadre di studenti competono per vedere chi riesce a inventare la modifica più interessante di ceppi batterici comuni utilizzando una serie di geni standard. Ad esempio, trapiantando una serie di undici geni specifici nel noto E. coli (Escherichia coli), è possibile forzare le colonie di questi batteri, che crescono in uno strato uniforme su una piastra Petri, a cambiare costantemente colore dove la luce cade su di loro. Di conseguenza, è possibile ottenere le loro “fotografie” uniche con una risoluzione pari alla dimensione del batterio, cioè circa 1 micron. Gli ideatori di questo sistema gli diedero il nome “Koliroid”, incrociando il nome della specie del batterio e il nome della famosa azienda “Polaroid”. Anche quest'area ha i suoi megaprogetti. Pertanto, in compagnia di uno dei padri della genomica, K. Venter, il genoma di un batterio micoplasma è stato sintetizzato da singoli nucleotidi, che non è simile a nessuno dei genomi micoplasmici esistenti. Questo DNA è stato racchiuso in un involucro batterico “pronto” di micoplasma ucciso e se ne è ottenuto uno funzionante, cioè un organismo vivente con un genoma completamente sintetico.
30. Per la prima volta apparve una cellula vivente, completamente controllata da un cromosoma sintetizzato artificialmente
Venter aprì leggermente la porta più importante della storia umana. Non si limita a creare copie artificiali di esseri viventi o a sottoporli a modifiche genetiche, ma si avvicina al ruolo di Dio: creare una vita artificiale che non sarebbe mai sorta in condizioni naturali.
L'americano Craig Venter si è fatto un nome decifrando il genoma umano più velocemente ed economicamente di chiunque altro al mondo.
Il principio guida della biologia sintetica è la rappresentazione delle cellule viventi come complessi meccanismi informatici capaci di autoriprodursi.
"La sintesi chimica della vita è una delle sfide che la chimica organica sintetica ha sempre dovuto affrontare", afferma il più famoso adepto di SynBio, Craig Venter.
Dal giugno 2004, quando il MIT tenne la sua prima conferenza sulla biologia sintetica, i ricercatori hanno sviluppato e prodotto migliaia di biodispositivi programmabili: pezzi di macchinario genetico che, una volta assemblati, possono svolgere compiti più complessi.
Si prevede che questi dispositivi viventi avranno enormi vantaggi. Saranno in grado di produrre qualsiasi farmaco immaginabile, compresi quelli che non possono essere creati utilizzando la chimica tradizionale o che al momento sono troppo costosi. Allo stesso modo, possono creare qualsiasi altra sostanza chimica o polimero per la produzione di plastica, legno naturale o seta - e tutto ciò costerà molte volte meno di adesso.
Un progetto di Bill Gates e Jay Keesling per creare un organismo che producesse un potente farmaco antimalarico.
Nel 2004, Kiesling, un ingegnere chimico di Berkeley, convinse la Fondazione Bill e Melinda Gates a donare 42 milioni di dollari al suo progetto. Kisling ha iniziato con il normale lievito di birra. L’evoluzione ha “programmato” il lievito per elaborare lo zucchero e produrre varie sostanze biochimiche. A questo organismo già funzionante, Kisling ha aggiunto un programma genetico sviluppato in laboratorio, composto da 12 nuovi geni. Ha cambiato il metabolismo del lievito e hanno iniziato a produrre artemisinina.
L’aspetto medico di SynBio ha affascinato anche gli scienziati californiani Christopher Voight e Christina Smolke. Ora sono nelle prime fasi di sviluppo di microbi che, circolando insieme al flusso sanguigno in tutto il corpo umano, troverebbero tumori cancerosi. Questi microbi potrebbero essere dotati di dispositivi biologici, uno dei quali rileverebbe il basso livello di ossigeno caratteristico di un tumore, un altro penetrerebbe nelle cellule, un terzo produrrebbe una tossina che uccide queste cellule e un quarto rimarrebbe “in servizio” in caso il cancro ritorna. Nel corso del tempo, queste cellule sentinella potrebbero monitorare e regolare i livelli ematici di varie sostanze vitali, tra cui glucosio e colesterolo.
i progetti più rumorosi dovrebbero essere quelli degli stessi Craig Venter e George Church. Hanno deciso di creare un organismo autosufficiente e altamente efficiente che converta la luce solare direttamente in biocarburante pulito. “La fonte di energia più sostenibile è la luce solare e i prodotti più convenienti sono i prodotti petroliferi che possono essere trasportati tramite oleodotti”, afferma Church. "Quindi mi impegnerò a creare un sistema di impianti a lunga durata che sintetizzano sostanze chimiche pure - ottano, diesel, ecc. - e possono fornirle direttamente ai tubi senza ulteriore purificazione."
i suoi “figli dell’ingegno” dovranno convertire la luce solare direttamente in biocarburante con danni minimi all’ambiente e zero emissioni di gas serra. Questi organismi, dice, “sostituiranno l’industria petrolchimica, sostituiranno la maggior parte degli alimenti e parteciperanno al biorisanamento del suolo e alla generazione di energia pulita”.
Andy ha già costruito il suo primo virus sintetico, sul modello del ben studiato virus naturale T7. A differenza di T7, il nuovo virus, denominato T7.1, è stato liberato da inutili complessità. Sebbene il suo codice sia solo una copia approssimativa della creazione della natura, T7.1 si comporta comunque come un virus, infettando le cellule batteriche e riproducendosi al loro interno.
31. Virus per il cervello e "dipendenza" dagli antivirus: il nostro futuro luminoso?
(http://specnazspn.livejournal.com/221640.html)
Nel prossimo futuro gli hacker potranno hackerare non solo i nostri computer, ma anche il nostro cervello. I malware di cui soffrono oggi i possessori di computer e dispositivi mobili diventeranno nel prossimo futuro delle vere e proprie armi biologiche. Questa opinione è condivisa dagli esperti nel campo della biologia sintetica, l'ultima tendenza nella genetica moderna.
La biologia sintetica è la programmazione della vita. Le cellule sono computer viventi e il DNA è un linguaggio di programmazione”. Andrea Hessel
La biocibernetica consentirà di programmare virus e batteri in modo tale che, una volta entrati nel cervello umano, diventino conduttori della volontà di qualcun altro.
32. La biologia sintetica si sta insinuando nel cibo
La biologia sintetica, o synbio in breve, è la fantascienza portata in vita. Mentre la biotecnologia convenzionale si occupa dell’inserimento di un gene da un organismo in un altro (con conseguente OGM), synbio si occupa di cose come l’inserimento di sequenze di DNA generate dalla macchina in cellule viventi, cioè la creazione di nuovi organismi. Questa tecnologia ha fatto un passo avanti significativo: un’azienda chiamata Evolva è riuscita a creare un composto chiamato vanillina, che, a differenza della vaniglia, non cresce su una vite ma su lievito sintetico.
Quindi Evolva e la sua magica vanillina "saranno il primo grande integratore nutrizionale di biologia sintetica ad arrivare nei supermercati", riferisce Nature. E dovremmo aspettarci di più:
“Questo prodotto segnerà un cambiamento per un settore che in genere si è concentrato sulla sintesi di farmaci e materie prime come i biocarburanti e la gomma. Ora, le aziende di biologia sintetica si stanno rivolgendo a “reagenti puliti”: ingredienti alimentari e aromatici che richiedono prezzi elevati per piccole quantità. Questi prodotti richiederanno meno tempo e denaro per essere ottenuti e saranno molto meno pericolosi, afferma Goldsmith."
La capacità di controllare i processi che si verificano in un organismo vivente è limitata solo dalla nostra immaginazione. Molto presto i ricercatori potranno “programmare” cellule viventi per produrre biocarburanti da fonti rinnovabili, “farle” valutare la presenza di tossine nell’ambiente, oppure produrre insulina nella quantità richiesta dall’organismo... sembra che molto presto l'ingegneria genetica diventerà qualcosa di non più complicato dell'ingegneria tradizionale e lavorare con le cellule viventi sarà facile come lavorare con un normale computer. Una formula semplificata per la biologia sintetica può essere espressa come segue: “leggere le sequenze genetiche delle proteine che svolgono funzioni specifiche, ottenere tutte le “parti” necessarie, assemblarle in strutture proteiche complesse, quindi inserire queste strutture in una cellula vivente e creare funzionano. La vita si basa su un codice genetico universale e la biologia sintetica propone, infatti, di creare una sorta di “scatola con parti e strumenti universali”, in altre parole, una versione biologica di un insieme di transistor e interruttori che possano, se necessario, , essere inserito al posto giusto nella catena di reazioni biochimiche che avvengono nella cellula.
Tuttavia, tali analogie non colmano il divario tra ciò che sappiamo sui sistemi viventi e il modo in cui funzionano effettivamente. "Ci sono poche reazioni biochimiche che comprendiamo quanto il funzionamento di un cacciavite o di un transistor.", afferma Rob Carlson, uno dei leader dell'azienda biotecnologica Biodesic (USA). Tuttavia, insieme alla complicazione del sistema, compaiono difficoltà e ad un certo punto non possiamo più modellare questo o quel processo, poiché risulta essere associato a diversi processi più ugualmente complessi. Nel 2009, gli scienziati hanno riscontrato uno schema interessante: nonostante il fatto che negli ultimi anni il numero di pubblicazioni scientifiche dedicate alla descrizione di nuove vie biochimiche sia aumentato in modo significativo, la complessità di queste vie appena descritte, o, in altre parole, il numero di le unità regolatrici in questi percorsi, al contrario, sono aumentate e hanno cominciato a diminuire.
Gli ostacoli sorgono in ogni fase dei processi di modellazione nei sistemi viventi: dalla caratterizzazione delle parti componenti all'assemblaggio dell'intero sistema. “Oggi la biologia prende molto in prestito dall’ingegneria”, afferma Christina Agapakis, dottoranda in biologia sintetica presso la Harvard Medical School di Boston. Tuttavia, i problemi non fermano i ricercatori e oggi la maggior parte di loro identifica cinque problemi principali della biologia sintetica che devono essere risolti per l'ulteriore sviluppo di quest'area.
Molti dettagli dei sistemi biologici sono sconosciuti
Le parti della struttura biologica sono molto diverse: includono sequenze specifiche di DNA che codificano proteine specifiche, regioni regolatrici dei geni e un'enorme varietà di proteine e altri elementi di percorsi biochimici. Sfortunatamente, la maggior parte di queste parti sono ancora insufficientemente caratterizzate o non caratterizzate affatto, motivo per cui, quando tenta di modellare un'intera struttura, un ricercatore si trova ad affrontare un numero enorme di incognite, ognuna delle quali può influenzare in modo significativo le proprietà e il comportamento di il sistema modellato. Inoltre, quando cercano di chiarire le funzioni dell'una o dell'altra "parte", i ricercatori si trovano di fronte al fatto che, quando testata in laboratori diversi, la stessa proteina, ad esempio, si comporta in modo diverso e può anche funzionare non solo in modo diverso, ma anche direttamente funzioni opposte funzioni in diversi tipi di cellule.
Negli USA, presso il Massachusetts Institute of Technology, è stato creato il Registry of Standard Biological Parts, o per meglio dire il Register of Standard Biological Parts, dove si possono trovare e ordinare più di 5.000 “parti” caratterizzate da standard: geni, promotori , siti di legame ribosomiale, terminatori di trascrizione, plasmidi, primer, ecc. Tuttavia, il direttore del registro Randy Rettberg non garantisce che tutte queste parti funzioneranno bene. La maggior parte di essi sono stati sintetizzati dagli studenti che hanno partecipato al concorso iGEM (International Geneically Engineered Machine). Questo concorso si svolge ogni anno dal 2004. I partecipanti creano nuovi sistemi biologici sintetici utilizzando serie di “parti” già pronte o sintetizzandone di nuove. Sfortunatamente, la maggior parte dei partecipanti non ha abbastanza tempo e conoscenze per fornire una descrizione dettagliata di ciascuno de novo"parte" sintetizzata.
Riso. 2. Le “parti” dei sistemi biologici sono rappresentate come mattoncini LEGO. Fotografie simili possono essere trovate nelle riviste Il New Yorker(a sinistra) e Cablato. Gli autori delle riviste presentano la biologia moderna come una semplice costruzione dei famosi "cubi". La verità è che non sappiamo quanti di questi cubi funzionano, e quelli che sembrano ben compresi possono comportarsi in modo imprevedibile se combinati con altri cubi o quando le condizioni cambiano (Foto: J. Swart; M. Knowles).
Nel tentativo di ottimizzare il metabolismo del lattosio nei batteri, il team iGEM dell'Università di Pavia in Italia ha testato diversi promotori del Registro inserendoli nel DNA batterico Escherichia coli. La maggior parte dei promotori ha funzionato (solo uno è risultato inattivo), ma di molti di loro non si sapeva praticamente nulla. Rettberg afferma che fino ad oggi esperti indipendenti hanno dimostrato che 1.500 delle “parti” raccolte nel Registro funzionano come previsto dai loro creatori, 50 non funzionano affatto o si comportano in modo completamente diverso da quanto si pensasse in precedenza, mentre il resto non è stato testato.
I creatori del Registro stanno cercando di migliorare la qualità della loro raccolta coinvolgendo esperti indipendenti nel loro lavoro e invitando i ricercatori che lavorano con “parti” ordinate a inviare i loro dati sul funzionamento di una particolare “parte” in vari sistemi biologici. Specialisti coinvolti nella selezione delle “parti” per la sequenza Registrano la sequenza nucleotidica di ogni nuova “parte”. Inoltre attualmente i professori Adam Arkin e Jay Keasling dell’Università della California, Berkeley, insieme al professor Drew Endy dell’Università di Stanford, stanno sviluppando il programma BIOFAB, il cui scopo è la sintesi e lo studio di “dettagli” nuovi ed esistenti dell’abitare. sistemi. Alla fine dello scorso anno, la National Science Foundation statunitense ha stanziato 1,4 milioni di dollari per questa ricerca. Il progetto prevede tra l'altro lo sviluppo di metodi con i quali sarebbe possibile standardizzare il lavoro in diversi laboratori e confrontare i dati ottenuti da diversi ricercatori. Gli ideologi di BIOFAB credono che saranno in grado di ridurre di almeno la metà la variabilità dei dati provenienti da diversi laboratori, che deriva dalla mancanza di condizioni standard per lavorare con i biosistemi.
Gli obiettivi di BIOFAB possono sembrare semplici, ma sviluppare standard per lavorare con i sistemi viventi è un compito molto difficile. Ad esempio, quando un costrutto genetico viene introdotto in una cellula di mammifero, è impossibile controllare l'integrazione di questo costrutto nel DNA della cellula; in altre parole, i geni introdotti finiscono ovunque nel genoma e possono influenzare l'espressione di geni situati nelle vicinanze, che causeranno effetti imprevedibili. Martin Fussenegger, professore di biotecnologia e bioingegneria al Politecnico federale, ritiene che i sistemi biologici siano troppo complessi perché sia possibile introdurre standard comuni.
Il funzionamento dei sistemi biologici è imprevedibile
Anche se la funzione di ciascun componente di un sistema è nota, insieme possono funzionare in modo imprevedibile e i biologi spesso devono lavorare per tentativi ed errori. "Stiamo ancora, come i fratelli Wright, cercando di incollare insieme un aeroplano con pezzi di legno e ritagli di carta.", afferma Luis Serrano, ricercatore presso il Centro di Regolazione Genomica di Barcellona. “Lanci una struttura in aria, ma cade e si rompe. Ne lanci un altro e probabilmente vola un po' meglio.".
Riso. 3. "Le cellule sono molto facili da riprogrammare." Riviste Scientifico americano E Spettro IEEE descriveva la biologia sintetica semplice come la progettazione di microchip o microcircuiti. Ma mentre le simulazioni al computer possono aiutare i ricercatori a prevedere il comportamento cellulare, una cellula è un sistema complesso, variabile e in continua evoluzione, e ciò che accade al suo interno è ordini di grandezza più complesso di ciò che accade in un computer (Immagini: Slim Films, H. Campbell) .
Il bioingegnere Jim Collins e i suoi colleghi della Boston University nel Massachusetts fallirono nel tentativo di far funzionare nel lievito un cosiddetto sistema di interruttore a levetta. Circa dieci anni fa, nel suo laboratorio, è stato creato un sistema del genere in una cellula batterica Escherichia coli: i ricercatori hanno introdotto in una cellula un costrutto genetico che, nello stato di riposo della cellula, esprimeva un gene (chiamiamolo gene A) e sotto una certa influenza chimica passava all'espressione di un altro gene (chiamiamolo gene B). Tuttavia, all'inizio, le cellule si rifiutavano costantemente di sintetizzare il prodotto del gene B - dopo aver rimosso il trattamento chimico, inevitabilmente tornavano alla sintesi del prodotto del gene A. Il problema, come spiegò Collins, era che i promotori del due geni funzionavano in modo sbilanciato, motivo per cui il gene A era sempre espresso più attivamente del gene B. Gli scienziati hanno dovuto impiegare circa 3 anni affinché il sistema funzionasse correttamente.
Le simulazioni al computer possono aiutare a risolvere il problema di “indovinare costantemente la funzione” nella biologia sintetica. Nel 2009, Collins e i suoi colleghi hanno creato diverse versioni leggermente diverse dei due promotori. In una versione, entrambi i promotori venivano utilizzati per creare un “timer genetico”, un sistema che fa sì che una cellula passi dall'esprimere un gene all'esprimerne un altro dopo un certo tempo. Dopo che un tale sistema è stato creato e testato, i suoi parametri sono stati inseriti in un programma per computer appositamente sviluppato, che, sulla base di essi, potrebbe calcolare il comportamento del sistema in caso di utilizzo di altre varianti degli stessi promotori. Pertanto, l'esperimento ha dimostrato che, in linea di principio, la modellazione computerizzata può ridurre significativamente il tempo dedicato allo studio del comportamento dei sistemi viventi, poiché non sarà necessario testare ciascun sistema in laboratorio; sarà possibile semplicemente inserirne i parametri il programma e ottenere un modello del suo comportamento.
Non tutti i sistemi biochimici funzionano sufficientemente bene in una cellula: i sistemi imperfetti possono essere migliorati attraverso la cosiddetta evoluzione diretta, che prevede mutazioni nel DNA della cellula, valutazione delle prestazioni dei sistemi risultanti “nella pratica”, selezione dei sistemi più performanti opzioni e la loro conservazione. Anche il processo di evoluzione diretta di enzimi e altre proteine può essere modellato, secondo Francis Arnold del California Institute of Technology di Pasadena, che utilizza questa tecnica nel suo laboratorio per ottenere enzimi coinvolti nella produzione di biocarburanti.
La complessità dei sistemi è troppo grande
Più i sistemi biologici diventano complessi, meno realistica diventa la loro costruzione e sperimentazione artificiale. Kisling e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema artificiale per la sintesi del precursore molecolare del composto antimalarico, l'artemisinina. Questo sistema coinvolge dodici geni diversi ed è fino ad oggi il lavoro di maggior successo e più citato nel campo della biologia sintetica. Il leader dello studio ha stimato che ci sarebbero voluti circa 150 anni-persona per scoprire tutti i geni coinvolti nel processo e sviluppare un sistema sintetico in cui l'espressione di ciascun gene fosse controllata. Ad esempio, i ricercatori hanno dovuto testare molte opzioni per l'interazione dei componenti del sistema in modo che la sintesi del prodotto finale non formasse un prodotto intermedio tossico.
“Le persone non pensano nemmeno ad avviare progetti come questo perché questi progetti richiedono troppo tempo e denaro”., afferma Reshma Shetty, co-fondatrice di Ginkgo BioWorks negli Stati Uniti. L'azienda sviluppa schemi automatizzati per combinare “parti” genetiche (frammenti di DNA che codificano proteine, promotori, ecc.) in sistemi con proprietà specifiche. I frammenti di DNA originali sono sintetizzati in modo tale da poter essere combinati da un robot. Le regole per sintetizzare i frammenti in modo che possano essere assemblati in un unico insieme sono definite nel cosiddetto BioBrick Standard.
A Berkeley, un gruppo di scienziati guidati da J. Christopher Anderson sta sviluppando un sistema in cui tutto il lavoro di assemblaggio delle “parti” non viene svolto da un robot, ma da batteri. Utilizzando tecniche di ingegneria genetica nelle cellule Escherichia coli inseriscono geni per enzimi che possono tagliare e incollare le molecole di DNA in un certo modo. Queste celle sono chiamate “celle assemblatrici”. Altre cellule batteriche vengono modificate in modo tale da poter selezionare le molecole necessarie tra le tante sintetizzate. Queste celle sono chiamate “celle di selezione”. Per trasferire il DNA dalle "cellule collezioniste" alle cellule "selezioni", i ricercatori propongono di utilizzare fagemidi - plasmidi ottenuti da virus batteriofagi. Anderson ritiene che il sistema batterico riuscirà a far fronte al lavoro svolto dal robot in due giorni in sole tre ore.
Molte strutture sintetiche sono incompatibili con la vita
Creato in vitro e i costrutti genetici sintetici inseriti nelle cellule possono avere effetti imprevedibili. Chris Voigt dell'Università della California, San Francisco, lavora su questo problema dal 2003. Voigt ha utilizzato costrutti genetici basati su frammenti di DNA batterico Bacillus subtilis, per creare un sistema per esprimere determinati geni in risposta a uno stimolo chimico. Voleva studiare il costrutto genetico risultante al di fuori della cellula B.subtilis, quindi l'ho trasferito nelle celle Escherichia coli, tuttavia, in altri batteri il sistema ha smesso di funzionare.
“Dopo aver esaminato la coltura batterica al microscopio, abbiamo visto che le cellule erano malate, dice Voigt, un giorno il sistema si comportava in un modo, l’altro in un altro" Si è scoperto che l'introduzione nelle cellule Escherichia coli il costrutto genetico estraneo ha portato all'interruzione dell'espressione di proteine vitali. “Tutto andava bene con il design genetico stesso, - lo scienziato è sorpreso, - Solo che una delle sue parti si è rivelata incompatibile con la vita del batterio”..
I ricercatori guidati dal professor Lingchong You della Duke University negli Stati Uniti hanno scoperto che anche un semplice sistema di espressione costituito da un singolo gene il cui prodotto stimola la propria sintesi può portare a grandi cambiamenti nella cellula ospite. Attivato nelle cellule Escherichia coli, il costrutto genetico sintetico ha portato all'inibizione della crescita batterica, che, a sua volta, ha causato un aumento della concentrazione di proteina sintetica nella coltura cellulare. Di conseguenza, nella coltura è stato osservato il fenomeno della cosiddetta bistabilità: alcune cellule producevano la proteina di interesse, mentre in altre cellule la sua produzione veniva bloccata.
Per ridurre la probabilità di effetti imprevisti, i ricercatori stanno sviluppando sistemi “ortogonali” che operano nella cellula indipendentemente dai processi naturali. Il biologo Jason Chin e i suoi colleghi del Laboratorio di Biologia Molecolare del Medical Research Council di Cambridge hanno creato un sistema di produzione di proteine in Escherichia coli, lavorando in modo completamente indipendente dai processi biochimici naturali nella cellula. In questo sistema, la sintesi dell’RNA messaggero basato sul DNA viene effettuata da una specifica RNA polimerasi che riconosce uno specifico promotore genetico, che nella sua sequenza nucleotidica differisce dai promotori propri della cellula. L'RNA messaggero risultante (mRNA), chiamato O-mRNA ("mRNA ortogonale"), si lega all'O-ribosoma, che è anche un componente del sistema artificiale ed è in grado di sintetizzare proteine solo sulla base di O-mRNA, senza interagire con gli mRNA della cellula.
Pertanto, nella cellula si forma un sistema parallelo che non distrugge i processi vitali e i componenti di questo sistema possono essere modificati. Ad esempio, durante gli esperimenti con il loro sistema, i ricercatori hanno rimosso una sezione del DNA che codificava parte del ribosoma O, con conseguente accelerazione della produzione di proteine.
Un'altra soluzione è isolare fisicamente la struttura molecolare sintetica all'interno della cellula. Wendell Lim dell'Università della California, a San Francisco, sta sperimentando la creazione di strutture di membrana all'interno delle quali possano operare costrutti genetici sintetici. I ricercatori stanno lavorando sulle cellule del lievito di birra, ma credono che principi simili potrebbero essere applicati ai batteri.
La variabilità distrugge il sistema
Gli scienziati vogliono essere sicuri che i sistemi artificiali che creano siano stabili nel tempo, ma i processi molecolari nella cellula sono soggetti a fluttuazioni casuali. Queste fluttuazioni possono essere causate sia da ragioni interne che esterne, ad esempio cambiamenti nelle condizioni di coltivazione. Sfortunatamente, le mutazioni che si verificano casualmente nel genoma di una cellula possono portare alla distruzione di un sistema artificiale.
Michael Elowitz e i suoi colleghi del California Institute of Technology di Pasadena dieci anni fa crearono il primo oscillatore genetico e valutarono l'influenza dei cambiamenti casuali che si verificano nella cellula su di esso. L'oscillatore genetico era un sistema di tre geni, l'interazione dei cui prodotti portava alla sintesi di una proteina fluorescente, e questa sintesi non avveniva costantemente, ma a periodi, a seguito dei quali le cellule cominciavano a tremolare. Tuttavia, questo processo non si è verificato allo stesso modo in tutte le cellule. Alcuni erano più luminosi, altri più scuri, alcuni tremolavano frequentemente, altri raramente e, in alcuni, la natura dello sfarfallio e l'intensità del bagliore cambiavano nel tempo.
Riso. 4. Anticipazione di incredibili scoperte nei designer di riviste di biologia sintetica Natura hanno descritto come gli esseri umani hanno acquisito la capacità di creare vita sintetica (a destra), e i loro colleghi del gruppo ETC hanno paragonato le attività degli scienziati al “giocare a fare Dio”. Tuttavia, la realtà è che ci sono ancora molti problemi irrisolti in questo campo, e i suoi risultati sono ancora molto lontani dall’applicazione pratica (immagini: R. Page/ETC Group; numero 1 di Adventures in Synthetic Biology. Storia: Drew Endy & Isadora Deese. Arte: Chuck Wadey).
Elowitz ritiene che queste differenze potrebbero sorgere per una serie di ragioni. Una cellula può esprimere i geni in modo continuo o intermittente. Ciò è dovuto, tra l’altro, alla quantità totale di mRNA in esso contenuto e al carico di lavoro dei sistemi produttori di proteine, come polimerasi e ribosomi.
Jeff Hasty e il suo team di biologia sintetica dell’Università della California, a San Diego, hanno descritto un oscillatore genetico più stabile nel 2008. Utilizzando un costrutto genetico diverso e controllando completamente le condizioni di coltivazione, gli scienziati hanno assicurato che tutte le cellule nella coltura avessero lo stesso modello di espressione della proteina fluorescente e, di conseguenza, il modello di lampeggiamento. Inoltre, molto recentemente, i ricercatori hanno dimostrato che la sincronizzazione dello sfarfallio può essere ottenuta utilizzando le interazioni cellula-cellula. Il leader del lavoro ritiene che, invece di cercare di eliminare l'influenza dei processi cellulari sul sistema sintetico, sia possibile utilizzare reazioni biochimiche naturali, adattandole alle proprie esigenze. Sottolinea che in fisica, ad esempio, il rumore a volte non interferisce, ma, al contrario, aiuta a rilevare un segnale utile. "Se non puoi batterlo, allora dovrai imparare a usarlo.", spiega Hastie. Ad esempio, il “rumore” consente alle cellule di rispondere in modo leggermente diverso all’introduzione di un costrutto sintetico, il che rende la coltura più resistente ai cambiamenti delle condizioni esterne.
Un'altra linea di ricerca, guidata da George Church della Harvard Medical School di Boston, sta cercando modi per produrre linee batteriche stabili. Church ritiene che la variabilità dei processi molecolari naturali possa essere ridotta, ancora una volta, modificando artificialmente il genoma della cellula, introducendovi sistemi di replicazione del DNA più accurati, modificando le regioni del genoma soggette a mutazioni e aumentando il numero di copie del suo genoma nella cellula. . Anche questa direzione è molto importante, poiché la stabilità di una cellula vivente, che non è molto importante per i sistemi sintetici semplici, diventa estremamente importante quando si costruiscono sistemi complessi.
È tempo di esercitarsi?
Nonostante tutte le difficoltà, la biologia sintetica si sta sviluppando attivamente. I ricercatori sono già riusciti a ottenere le linee Escherichia coli, le cui cellule sono in grado di contare gli eventi, ad esempio il numero delle proprie divisioni, e riconoscere le aree illuminate e oscurate nell'ambiente. Sono stati ottenuti costrutti sintetici che funzionano non solo nelle cellule batteriche, ma anche in cellule più complesse. Stanno emergendo nuovi centri per lo studio della biologia sintetica e nuovi programmi nelle università.
Il sistema per ottenere il precursore dell'artemisinina ottenuto dal gruppo di Kisling ha quasi trovato la sua applicazione commerciale. L'azienda francese Sanofi-Aventis si è interessata al progetto, progettando di immettere il costrutto genetico sul mercato entro il 2012. Molte altre aziende sono interessate alla produzione di biocarburanti sintetici. I ricercatori ritengono che questo sia solo l’inizio.